¿Sabías que…?Número 14

… se realizan medidas eléctricas con referencia cuántica?

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En la actualidad, las medidas de tensión eléctrica, o voltaje, se efectúan con relación a patrones basados en el efecto Josephson, que es uno de los pocos fenómenos cuánticos que se manifiestan en el mundo macroscópico.

Este gran avance en metrología eléctrica llegó de la mano del físico británico Brian Josephson. En 1963, Josephson predijo teóricamente una serie de efectos que se producirían en muestras formadas por dos capas superconductoras separadas por una capa aislante intermedia de espesor del orden de los nanómetros (10-9m). Este tipo de dispositivo se llamó unión Josephson en honor a su descubridor.

Figura 1. Esquema de una unión Josephson y fotografía de una unión real

Uno de los efectos predichos por Josephson fue el efecto Josephson inverso en corriente alterna. Consiste en que, si se irradia una unión Josephson con una señal de muy alta frecuencia, se produce una diferencia de tensión entre los dos superconductores. Esta diferencia de tensión solo puede ocurrir para ciertos valores concretos. Es decir; en la unión se generan distintos valores de tensión continua a intervalos regulares, según se muestra en la figura 2.

Figura 2. Curva I-V de una unión Josephson

Debido a la forma de la curva IV, se denomina escalones a los distintos valores de tensión de una unión Josephson. El valor de los escalones Josephson sigue la siguiente ecuación:

\(V=\frac { nh }{ 2e } f=\frac { nf }{ { K }_{ \textsf J } } \) (1)

donde V es la tensión de la unión, f la frecuencia de la radiación aplicada, h la constante de Planck y e la carga eléctrica elemental, es decir la carga de un electrón. Al cociente 2e/h se le suele llamar constante de Josephson KJ.

Así, se tiene un patrón de tensión eléctrica continua casi ideal, pues la tensión de una unión Josephson únicamente depende de dos constantes fundamentales de la Naturaleza y de una frecuencia. Como la frecuencia es la magnitud física que se puede medir con menor incertidumbre (<10-12), la tensión Josephson tendrá incertidumbres muy bajas.

Sin embargo, la aplicación práctica del efecto Josephson no es tan sencilla. Se requiere un complejo sistema que incluye un criostato para llevar la muestra Josephson a temperaturas criogénicas, una fuente para polarizarla, una fuente de radiación de microondas y una guía de ondas para irradiar las uniones, un osciloscopio para poder observar la curva IV y un contador capaz de medir con gran exactitud la frecuencia de microondas. En la figura 3 se muestra un sistema Josephson completo.

Figura 3. Diagrama de bloques de un sistema patrón de tensión Josephson completo

La introducción de los dispositivos Josephson ha permitido una extraordinaria mejora de la reproducibilidad de las medidas de tensión continua. En comparaciones directas de patrones de tensión Josephson, se han alcanzado diferencias e incertidumbres relativas del orden de 10-11 (menos de 1 nV al nivel de 10 V), mientras que las diferencias previas eran del orden de 10-6. Esto se puede apreciar en la figura 4

Figura 4. Evolución de las diferencias de los patrones nacionales de tensión desde la introducción de los primeros patrones Josephson a la adopción de un valor unificado para la constante de Josephson en 1990
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…el ruido eléctrico puede usarse para medir temperatura?

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