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新的電子溫度計

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Jun 27, 2003

編輯 Agape 報導

全新的電子溫度計,可以用來量測到將近絕對零度的低溫,而且不需要校正誤差。

時值夏季的開始﹐氣象預報中的每日最高溫度﹐就成了大家關注的焦點。至於如何準確地測量溫度﹐在簡單的溫度計背後﹐可是有一番學問的。要作為溫度計的條件﹐除了用來衡量溫度的物理量﹐要對溫度有明顯反應(如一般氣體或液體的熱脹冷縮的現象) ﹐還必須滿足透過某些簡單的物理定律﹐就能直接還算出實際的溫度﹐不必經過繁瑣的校正。最典型的例子﹐就是利用理想氣體定律(PV=NkT)製成的定容氣體溫度計(constant-volume gas thermometer, CVGT)。由於氣體的體積固定﹐透過測量其壓力並經過公式的換算﹐就得到其溫度的讀數。

隨著所使用物質與實驗環境的需求﹐不同的溫度範圍需要適合的溫度計。目前﹐在低溫物理(零下數十至約兩百七十度)中所使用的溫度計﹐是一種稱為Coulomb blockade thermometer(CBT) 的溫度計。基本上﹐它是利用電荷穿隧時產生的電流﹐來測量環境的溫度。然而﹐由於其應用的物理定律是非線性的﹐以及必須依賴高電阻﹑極小的接面結構﹐它的溫度測量範圍僅能保證準確到約絕對溫度20K。在本期的Science雜誌中﹐耶魯大學應用物理系的Lasfe Spitz與其所屬的研究小組﹐則發表了利用測量穿隧接面(tunnel junction)的shot noise﹐達成可以在絕對溫度1K的環境下﹐準確測量溫度的結果。

Spietz等人﹐首先製造了以鋁-氧化鋁-鋁組成的穿隧接面。其中氧化鋁層約為1奈米厚﹐其穿隧能障約為2V。為了阻抗匹配的緣故﹐接面的電阻經過設計為50歐姆。在低溫(1.5K以下) 測量時﹐則外加0.5T的磁場﹐以維持鋁是在非超導狀態。接著﹐他們在從室溫到絕對溫度0.037K的溫度範圍內﹐對穿隧接面施以直流偏壓以產生穿隧﹐再透過微波放大器測量所產生的shot noise。而shot noise(Si)與穿隧電流(I)的關係﹐在極低溫下﹐是Si = 2eI的線性公式(其中e是自由電子電荷量)。

根據將所測量到的數據與理論計算的比對﹐Spietz等人發現﹐除了在極高溫與極低溫的情形下﹐兩者十分吻合﹐意味著根據這個原理設計的溫度計(shot noise thermometer, SNT)的確適用於低溫環境。他們更進一步發現﹐SNT在絕對溫度1K時﹐具有0.1%的準確度與0.02%的精確度。並且﹐只要測量shot noise即可以利用公式直接還算出實際的溫度讀數﹐十分符合前述溫度計的要求。

Spietz等人也對其SNT的誤差﹐提出了討論。他們認為﹐所使用測量儀器的非線性誤差﹐雖然在其實驗中沒有觀察到﹐仍有在極高或極低溫時產生較顯著的影響。此外﹐穿隧接面本身也會因製程的瑕疵﹐而造成與根據理想接面所導出的公式有所差異的現象。即使如此﹐Spietz等人仍樂觀地表示﹐這些誤差都是可以透過實驗技術上的改進而可能減少到最低的。屆時﹐他們希望能利用SNT﹐在度量衡的認定上﹐提供更精準的依據。

原始論文﹕
s Nature Science Update: Noise thermometer accurate at frigid extremes

Lafe Spietz et al., Primary electronic thermometry using the shot noise of a tunnel junction. Science, 300, 1929 (2003).

參考來源:

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