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Jul 28, 2023

NIST mejora su dispositivo insignia para medir masa

En un laboratorio subterráneo brillantemente iluminado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) se encuentra una máquina electromecánica del tamaño de una habitación llamada balanza NIST-4 Kibble. El instrumento ya puede

En un laboratorio subterráneo brillantemente iluminado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) se encuentra una máquina electromecánica del tamaño de una habitación llamada balanza NIST-4 Kibble.

El instrumento ya puede medir la masa de objetos de aproximadamente 1 kilogramo con tanta precisión como cualquier dispositivo del mundo. Pero ahora, los investigadores del NIST han mejorado aún más el rendimiento de su balanza Kibble al agregarle un dispositivo personalizado que proporciona una definición exacta de resistencia eléctrica. El dispositivo se llama estándar de resistencia de matriz de Hall cuántica (QHARS) y consta de un conjunto de varios dispositivos más pequeños que utilizan una peculiaridad de la física cuántica para generar cantidades extremadamente precisas de resistencia eléctrica. Los investigadores describen su trabajo en un artículo de Nature Communications.

La mejora debería ayudar a los científicos a utilizar sus balanzas para medir masas menores a 1 kilogramo con alta precisión, algo que ninguna otra balanza Kibble ha hecho antes.

Las mediciones NIST-4 se utilizaron para ayudar a los científicos a redefinir el kilogramo, la unidad de masa fundamental en el Sistema Internacional de Unidades (SI), en 2019. Todo lo que debe pesarse depende de esta nueva definición de masa.

El nuevo dispositivo QHARS hecho a medida es un ejemplo de estándar de medición: un objeto o instrumento que tiene alguna relación predefinida con una cantidad física como la longitud, el tiempo o el brillo. El estándar en este caso es un dispositivo eléctrico que utiliza principios cuánticos para generar una cantidad precisa de resistencia eléctrica. Esta resistencia generada sirve como referencia durante el funcionamiento de la balanza Kibble.

Antes de este trabajo, la balanza Kibble NIST-4 se basaba en un instrumento estándar diferente que también proporcionaba una definición exacta de resistencia eléctrica. Pero dicho dispositivo no pudo incorporarse directamente a la balanza por motivos técnicos.

Para solucionar este problema, los investigadores tuvieron que tomar otro objeto, llamado artefacto, y usar el estándar para calibrar o evaluar ese artefacto. Luego utilizaron el artefacto directamente con la balanza Kibble NIST-4. La nueva configuración elimina la necesidad de un artefacto de resistencia y mejora la precisión de la balanza.

"Hacer el paso adicional de calibrar una resistencia redujo la precisión de las mediciones de masa", dijo Darine Haddad del NIST. “Como ahora utilizamos un estándar cuántico directamente en lugar de un artefacto, estamos eliminando por completo el paso de calibración. Eso reduce la incertidumbre de la resistencia”, lo que significa que hay una mejora significativa en la precisión de la resistencia.

El dilema 'actual'

La máquina de equilibrio NIST-4 Kibble funciona comparando la fuerza mecánica con la fuerza electromagnética. En pocas palabras, una masa se apoya en la balanza y la gravedad la empuja hacia abajo. Luego, los investigadores bombean corriente a través de una bobina de alambre colocada en un campo magnético, y esa corriente eléctrica empuja la masa hacia arriba, levitando efectivamente en el aire. Los científicos miden la cantidad de corriente que se necesita para hacer flotar el objeto, equilibrándolo exactamente. Si puedes medir la corriente, puedes calcular la masa del objeto.

Pero para que esto funcione, los científicos en medición necesitan saber exactamente cuánta corriente fluye a través de la bobina con un alto grado de precisión. Lo hacen midiendo otros dos valores más fáciles de medir: el voltaje y la resistencia.

En el dispositivo ya está integrado un estándar de tensión cuántica. Pero el estándar de resistencia cuántica no se pudo utilizar directamente porque el dispositivo tradicional, hecho de arseniuro de galio (GaAs), no puede funcionar correctamente con las cantidades relativamente grandes de corriente necesarias para levitar un objeto de escala macro como un 50 o 100 o incluso Masa de 1.000 gramos. En cambio, el dispositivo GaAs se usó por separado para medir la resistencia de un objeto recién calibrado que luego se inserta en NIST-4 y se usa en la medición real.

Nuevo QHARS al rescate

Para abordar este problema, el NIST ha estado diseñando y probando un nuevo tipo de dispositivo de resistencia cuántica: el QHARS. En lugar de GaAs, este instrumento está hecho de grafeno, la lámina de átomos de carbono de una sola capa atómica de espesor que ha sido un tema candente durante muchos años por su promesa en una variedad de usos, incluida la electrónica más rápida y flexible.

El nuevo grafeno QHARS desarrollado en el NIST pasa corriente a través de una serie de 13 elementos más pequeños en paralelo. Estos elementos funcionan basándose en algo llamado efecto Hall cuántico, en el que la resistencia eléctrica está “cuantizada”, es decir, sólo puede tener unos pocos valores posibles, muy específicos y predecibles. Eso convierte al dispositivo en un estándar de resistencia preciso a nivel cuántico. (Ver animación).

El uso conjunto de 13 unidades de resistencias Hall cuánticas aumenta aún más la cantidad de corriente que el nuevo QHARS puede manejar.

"Necesitamos alrededor de 700 microamperios [millonésimas de amperio] fluyendo en la bobina para hacer levitar una masa de 100 gramos", dijo Haddad. "En el estándar de resistencia al arseniuro de galio, no se puede hacer eso".

Para demostrar que este nuevo estándar de resistencia cuántica podría funcionar en NIST-4, Haddad y su equipo utilizaron múltiples dispositivos QHARS, uno a la vez, y compararon sus resultados indirectamente con el estándar de resistencia cuántica GaAs. Los resultados de las mediciones de masa de 50 gramos coincidieron estrechamente entre sí: "es lo mejor que hay", dijo Haddad.

Los futuros modelos del nuevo estándar de resistencia podrían experimentar más mejoras. Para funcionar, tanto el dispositivo tradicional de GaAs como el QHARS de grafeno deben enfriarse a unos pocos grados por encima del cero absoluto y exponerse a sus propios campos magnéticos elevados. Algún día, se podría desarrollar un dispositivo estilo QHARS que funcione a temperatura ambiente y con un campo magnético nulo, lo que haría que todo el sistema fuera mucho más compacto.

Además, a diferencia del antiguo estándar de resistencia, un QHARS de próxima generación podría ser programable, lo que significa que el instrumento sería más versátil: los científicos podrían usar un dispositivo para generar diferentes cantidades de resistencia dependiendo de lo que necesitaran para un experimento en particular.

"Un estándar de resistencia cuántica que sea programable y que funcione a temperatura ambiente con un campo magnético bajo: esto es lo que los físicos están tratando de impulsar", dijo Haddad.

Para más información: www.nist.gov

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