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 Equilibrio de croquetas NIST-4.
La balanza Kibble NIST-4 es una máquina electromecánica que mide la masa de objetos de aproximadamente 1 kg. Aquí puede ver la parte superior de la balanza, que incluye una rueda que gira de un lado a otro a medida que se mueven los dos lados de la balanza. Apenas visibles en el lado izquierdo de la imagen hay un conjunto de cables eléctricos delgados que conectan la bobina electromagnética (no se muestra en la imagen) a otras partes clave de la balanza. Incidentalmente, la razón por la que los alambres delgados se enrollan como resortes en lugar de estirarse en línea recta es que a medida que la rueda se mueve hacia adelante y hacia atrás, los alambres se estiran sin tocarse entre sí. Crédito de la imagen: Jennifer Lauren Lee/NIST
El instrumento ya puede medir la masa de objetos de aproximadamente 1 kilogramo, casi tan pesado como un litro de leche, con la precisión de cualquier dispositivo en el 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 la resistencia eléctrica.
El dispositivo se llama estándar de resistencia de matriz cuántica Hall (QHARS) y consiste en 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 Comunicaciones de la naturaleza papel.
La mejora debería ayudar a los científicos a usar 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 usaron para ayudar a los científicos a redefinir el kilogramo, la unidad fundamental de masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI), en 2019. Todo lo que debe pesarse, desde productos del mercado hasta los ingredientes de su medicamento para el resfriado, depende de este nueva definición de masa.
El nuevo dispositivo QHARS personalizado es un ejemplo de un estándar de medición: un objeto o instrumento que tiene una 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 luego 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 ese dispositivo no se pudo incorporar directamente a la balanza por razones técnicas.
Para solucionar este problema, los investigadores tuvieron que tomar otro objeto, llamado artefacto, y usar el estándar para calibrar o evaluar ese artefacto. Luego usaron 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.
“Debido a que ahora estamos usando un estándar cuántico directamente en lugar de un artefacto, estamos eliminando el paso de calibración por completo. Eso reduce la incertidumbre de la resistencia”, lo que significa que hay una mejora significativa en la precisión de la resistencia.
Dilema ‘Actual’
La máquina de equilibrio Kibble NIST-4 funciona comparando la fuerza mecánica con la fuerza electromagnética. En pocas palabras, una masa se asienta sobre la balanza y la gravedad la empuja hacia abajo. Luego, los investigadores bombean corriente a través de una bobina de alambre que se encuentra en un campo magnético, y esa corriente eléctrica empuja la masa hacia arriba, haciéndola levitar efectivamente en el aire.
Los científicos miden la cantidad de corriente que se necesita para hacer flotar el objeto, equilibrándolo exactamente. Si puede medir la corriente, puede calcular la masa del objeto.
Pero para que esto funcione, los científicos de 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.
Un estándar de voltaje cuántico ya está integrado en el dispositivo. Pero el estándar de resistencia cuántica no se pudo usar 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 a escala macro como un objeto de 50 o 100 o incluso Masa de 1000 gramos.
Entonces, 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.
Nuevos 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 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 NIST pasa corriente a través de una matriz de 13 elementos más pequeños en paralelo. Estos elementos funcionan en base a algo llamado efecto Hall cuántico, en el que la resistencia eléctrica se «cuantifica», es decir, solo puede tener unos pocos valores posibles, muy específicos y predecibles. Eso hace que el dispositivo sea un estándar de resistencia preciso a nivel cuántico. (Ver animación.)
El uso de 13 unidades de resistencia Hall cuántica juntas aumenta aún más la cantidad de corriente que puede manejar el nuevo QHARS.
“Necesitamos unos 700 microamperios [millionths of an ampere] fluyendo en la bobina para levitar una masa de 100 gramos”, dijo Haddad. “En el estándar de resistencia al arseniuro de galio, no se puede hacer eso”.
Para probar que este nuevo estándar de resistencia cuántica podría funcionar en NIST-4, Haddad y su equipo usaron múltiples dispositivos QHARS, uno a la vez, y compararon sus resultados indirectamente con el estándar de resistencia cuántica de GaAs. Los resultados de las mediciones de masa de 50 gramos coincidieron estrechamente entre sí: «es tan bueno como parece», dijo Haddad.
Los modelos futuros del nuevo estándar de resistencia podrían ver más mejoras. Para que funcionen, tanto el dispositivo GaAs tradicional como el QHARS de grafeno deben enfriarse 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 para que funcione a temperatura ambiente y sin campo magnético, 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 según 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.
Reportado y escrito por Jennifer Lauren Lee
Papel: Frank C. Seifert, Alireza R. Panna, I-Fan Hu, Lorenz H. Keck, Leon S. Chao, Shamith U. Payagala, Dean G. Jarrett, Chieh-I Liu, Dipanjan Saha, Randolph E. Elmquist, Stephan Schlamminger , Albert F. Rigosi, David B. Newell y Darine Haddad. Una masa macroscópica de la mecánica cuántica en un enfoque integrado. Comunicaciones de la naturaleza. Publicado el 10 de diciembre de 2022. DOI: https: 10.1038/s42005-022-01088-7
Fuente: NIST
