忘掉克式(Kelvin)、華氏(Fahrenheit)和攝氏(Celsius)等溫度,更別提攝氏百分刻度法(centigrade)了。美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology;NIST)表示,國際單位制(SI)具備量子等級的準確性,是最新的測量指標,將會在2019年前淘汰掉依照牛頓力學所建立的克式、華氏和攝氏溫標。

該機構還開發了一款採用波茲曼常數(Boltzmann constant)以國際單位制(SI)測量溫度的固態設備。

改以國際單位制的標準來測量溫度,對於電子工程師來說,在測量晶粒熱點、增加測量的準確性與加速測量流程上應該特別有幫助。舉例來說,Kelvin溫度只能用昂貴的傳統儀器來測量到百萬分之一(ppm),而使用國際單位制則可利用較便宜的電子儀器測量到百萬分之一。

溫度的測量是一件很棘手的事,因為它取決於使用的材料,而且測量時若是與主要溫標單位(central degrees unit)差距太高:273.15K = 32℉ = .01℃,測量結果會變得較不準確。現在,主要溫標單位被制定為水結凍的溫度,但是這種方式會因為水質不純,加上無法避免且無法確認的重水(水中含有一個中子)含量而使導致不精確的測量結果。

現在的工程師在使用傳統儀器和設備測量溫度時,必須考量材質的種類與溫度,以彌補不精確的測量狀況。

20170710_NIST_NT02P1 NIST的量子電壓訊號源採用來自電阻中電子的電壓雜訊,實現更準確的測量 (來源:NIST)

國際單位制透過電子運動(強生雜訊/熱雜訊)的量子測量,以避免測量不準確的情況,並將容易取得的波茲曼常數(分子平均動能)的量子測量值標準化。未來兩年內,全世界每個實驗室計畫開始使用國際單位制進行量子級準確度的溫度測量。

NIST的設備並不昂貴,它採用的是量子電壓雜訊源(QVNS)技術,測量電阻中電子的電壓雜訊。此設備提供一個可靠的波茲曼常數參考測量數據,用於確定任何物質的國際單位制溫度。

國際單位制是全世界所有人的努力成果,NIST僅提供一個簡單的QVNS原型設計,利用量子電壓雜訊源測出波茲曼常數的參考測量數據。已經有人透過此設備而以便宜的做法、材料與實驗室設備完成量測。多年來,世界各地每一個測量單位幾乎能透過他們開發出的設備而準確地校準測量值。

20170710_NIST_NT02P2 NIST設備中的晶片提供超精確的Boltzmann常數,讓使用SI測量單位的溫度數易於執行 (來源:NIST)

2018年11月在法國凡爾賽舉行的國際度量衡大會(General Conference on Weights and Measures)中,全世界的代表將會投票決定是否要重新定義溫度標準。毫無疑問地,國際單位制將取代Kelvin作為國際溫度標準,但NIST不等到投票結果出爐,就已經準備好其設備的詳細資料了。

20170710_NIST_NT02P3 NIST物理學家Samuel Benz手持新的固態設備儀器(左),以及傳統的機儀器(右),用於測量波茲曼常數。

IST研究員Nathan Flowers-Jacobs在《EE Times》的訪談中談到:「在定義波茲曼常數後,一個成功的強生雜訊測溫系統(Johnson noise thermometry,JNT])將可使用機架式系統達到50ppm以下的溫度測量,溫度範圍介於100K到1,000K之間。由於此系統是依照波茲曼常數與量子現象定義的,因此它具有自我校準的功能。關於如何成功實現JNT系統的其他要求,將會告知NIST以外的使用者。」

Flowers-Jacobs說:「縮小強生雜訊測溫系統、不使用液態冷凍劑,並且使其易於使用,還需要靠多年的計畫才能實現。因此,我們希望五年內它能在NIST以外的地方被使用。」

NIST科學家Horst Rogalla為強生雜訊測溫法計畫的主持人,中國計量科學研究院(National Institute of Metrology in China)也參與此項計畫。

關於所有細節,可參照付費文章「以強生雜訊測溫法為基準的波茲曼常數判定」(A Boltzmann constant determination based on Johnson noise thermometry) ,或是免費文章「透過強生雜訊測溫法而改進的波茲曼常數電子測量」(Improved electronic measurement of the Boltzmann constant by Johnson noise thermometry)與「採取強生雜訊測溫法進行的波茲曼常數電子測量中的光譜模型選擇」(Spectral model selection in the electronic measurement of the Boltzmann constant by Johnson noise thermometry) 。

(參考原文:NIST Backs Quantum-level Temperature Measurement,by R. Colin Johnson)