, 26 de octubre de 2014

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Nuevos patrones eléctricos basados en fenómenos cuánticos


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Medir consiste en averiguar cuántas veces una determinada cantidad patrón esta contenida en la magnitud que queremos cuantificar. Nuestras posibilidades de conocer y cambiar el mundo están íntimamente ligadas con la capacidad de medir. Nuestro conocimiento del mundo físico depende en gran parte de la asociación de valores numéricos a nuestras observaciones y experimentos y estos son la base de toda la actividad científica y tecnológica. Los datos numéricos proporcionados por las medidas nos permiten utilizar las matemáticas en nuestros argumentos. Éstas son el más poderoso y menos ambiguo de cuantos métodos de razonamiento y deducción disponemos.

La Metrología es la ciencia de la medida. Por un lado trata de mejorar las técnicas de medida, por otro los patrones. Dos son los grandes retos: precisión y universalidad. La posibilidad de realizar medidas cada vez más precisas es la base de numerosos avances tecnológicos. Por ejemplo, la medida precisa del tiempo que se consigue con los relojes atómicos ha permitido el desarrollo del GPS. En lo que respecta a la importancia que tiene la universalidad de las medidas, basta pensar que uno de los primeros acuerdos firmado por un gran número de naciones fue la convención del metro en 1875 Enseguida se entendió que la armonización de las medidas era un requisito imprescindible para el desarrollo del comercio, la tecnología y la ciencia.

¿Qué aporta la Mecánica Cuántica?

Por paradójico que parezca es en el marco de la mecánica cuántica donde se puede ir más lejos en la búsqueda de la precisión y la universalidad de las medidas. Aunque el avance en ambos objetivos ha sido constante, la mecánica cuántica ha permitido una autentica revolución en las últimas décadas y eso a pesar de que en mecánica cuántica siempre se hable de probabilidad e incertidumbre. Aunque es cierto que el famoso principio de incertidumbre de Heisemberg fija un límite a la precisión máxima con la que podemos realizar ciertas medidas, en la mayoría de los casos la incertidumbre que introduce es despreciable. Estas serían las desventajas.

Las ventajas:

  • En primer lugar tenemos el principio de identidad de la partículas atómicas. Por ejemplo, todos los electrones son idénticos e indistinguibles unos de otros. Esto tiene unas consecuencias muy importantes en metrología ya que si utilizamos las propiedades de estas partículas para hacer patrones tenemos garantizada la universalidad de los resultados: Los electrones que usan en el NIST de Boulder tienen exactamente las mismas propiedades que los que utilizamos en el ICMA en Zaragoza.

  • Por otro lado en mecánica cuántica podemos tener sistemas en estados de energía discretos y conocidos. Además cuando se producen transiciones entre estados la energía se conserva. Por ejemplo si en una transición, el sistema emite un fotón, la energía y por lo tanto la frecuencia del fotón están perfectamente determinadas, lo que permite hacer medidas de frecuencia con una precisión inimaginable mediante métodos clásicos. Los actuales patrones de tiempo están basados precisamente en un transición particular de los átomos de Cesio.

  • La naturaleza ondulatoria de los estados cuánticos permite aprovechar los fenómenos de interferencia y coherencia para desarrollar técnicas y dispositivos de medida que han revolucionado el mundo de la medida de precisión. Piénsese en los láseres y en lo interferómetros.

  • La superconductividad, un fenómeno cuántico, también ha permitido desarrollar nuevos patrones y dispositivos como los SQUID, los sensores de campo magnético más sensible que se conocen en la actualidad.

Nosotros hemos utilizado dos fenómenos cuánticos para desarrollar sendos patrones eléctricos, el de voltaje y el de resistencia.

El voltio cuántico

Basándonos en un efecto cuántico predicho por Briand Josephson en 1962 y que lleva su nombre hemos realizado un patrón de voltaje que mejora en varios ordenes de magnitud la precisión de anteriores patrones, además de garantizar su universalidad, ya que su valor solo depende del valor de dos constantes fundamentales, la carga del electrón y la constante de Plank, seña de identidad de la mecánica cuántica. El patrón está basado en un dispositivo superconductor que enfriado a 4.2 K ( 269º C bajo cero) y polarizado con una radiación de microondas proporciona una serie voltajes proporcionales a la frecuencia de la radiación. Podemos decir que se trata de un conversor ideal de frecuencia a voltaje. Dado que el tiempo, y por lo tanto la frecuencia, es una de las magnitudes físicas que se mide con más precisión gracias a los relojes atómicos ( basados a su vez en la física cuántica) podemos reproducir voltajes con una precisión de unas pocas partes en 109.

En la imagen, fotografía del patrón una vez instalado en un laboratorio nacional de metrología

El ohmio cuántico

El segundo descubrimiento clave para la metrología cuántica eléctrica fue el efecto Hall cuántico, observado por primera vez por Klaus von Klitzing en 1980. Este efecto puede observarse en dispositivos semiconductores cuando se les aplican campos magnéticos del orden de 10 Tesla (100.000 veces el campo magnético terrestre) y se enfrían a temperaturas inferiores a la del Helio líquido (4,2 K). En estas condiciones experimentales el dispositivo presenta valores cuantizados de la resistencia Hall. Se ha comprobado, con una incertidumbre de partes en 1010 que dichos valores de resistencia son independientes de variables como la corriente de medida, la temperatura o el tipo de dispositivo.

En la imagen, gráfica del efecto Hall cuántico. Al aumentar el campo magnético aplicado al dispositivo, su resistencia adquiere una serie de valores cuantizados cuyo valor viene dado por la carga del electrón y la constante de Plank. 

Ventajas de los nuevos patrones cuánticos

Los nuevos patrones cuánticos eléctricos presentan claras ventajas frente a los patrones clásicos. Por un lado carecen de derivas temporales y son mas precisos. Su valor es independiente del lugar, de los materiales utilizados, y de variables experimentales como presión o temperatura. Además en la mayoría de los casos su realización es más sencilla que la definición SI de los patrones.

Esto llevó al principal organismo internacional de metrología, el Comité Internacional des Poids et Mesures, a recomendar su uso por parte de los laboratorios nacionales de metrología. La adopción de estos nuevos patrones y el establecimiento de unos valores para las constantes Josephson y von Klitzing a partir del 1 de enero de 1990 produjo una reducción de dos ordenes de magnitud en la dispersión de la reproducción de la unidades de resistencia y voltaje.

En la imagen, se observa la evolución temporal de las diferencias de los patrones de resistencia de varios laboratorios nacionales de metrología respecto al Australiano (NML) antes y después de 1990.

Tanto Brian Josephson como Klaus von Klitzing recibieron en su día el premio Nobel por sus descubrimientos.

El Comparador Criogénico de Corriente

Para medir bien no basta con tener buenos patrones. Tal y como se mencionó al principio es necesario también disponer de buenas técnicas de medida. Por ejemplo, de nada sirve tener un patrón de resistencia muy preciso si luego en la comparación con otros patrones utilizamos técnicas de medida poco precisas. Por ese motivo, en el ICMA, además del patrón de resistencia, desarrollamos un nuevo puente de medida , el Comparado Criogénico de Corriente. El sistema utiliza distintas propiedades de los materiales superconductores e incorpora un sensor SQUID de campo magnético que permiten la comparación de dos resistencias con una incertidumbre de partes en 109.

¿Y el amperio cuántico?

Nuevos fenómenos y nuevos dispositivos permitirán en el futuro seguir avanzando en los dos objetivos de la metrología. Por ejemplo, en la actualidad se está trabajando en un nuevo patrón de corriente cuántico. Gracias a las posibilidades que nos brinda la nanotecnología, se han desarrollado nuevos dispositivos basados en el bloqueo culombiano que permiten el paso de electrones uno a uno de una forma controlada, aunque proporcionan corrientes demasiado pequeñas para ser utilizadas como patrón. Una de las soluciones que estamos investigando es utilizar una versión mejorada del Comparador Criogénico de Corriente para amplificar esta corriente.

Fecha Aragón Investiga: 04/02/2005


Ficheros adjuntos


   1-Voltio PatronA.jpg
   2-Efecto HallA.jpg
   3-1990A.jpg