Bagaimanakah Frekuensi Gelombang Mikro Menjadi Piawai Voltan?

Voltan boleh diukur dengan voltmeter, tetapi alat pengukur itu sendiri perlu ditentukur. Untuk pengukuran yang paling tepat, ahli metrologi memerlukan rujukan yang boleh dihasilkan semula tanpa bergantung pada kestabilan jangka panjang sebuah bateri atau perintang tertentu. Salah satu penyelesaiannya datang daripada kesuperkonduksian, kerana simpang Josephson boleh menghubungkan frekuensi gelombang mikro dengan voltan melalui hubungan kuantum yang tepat. Fenomena inilah yang dikenali sebagai kesan Josephson.

Apakah simpang Josephson?

Simpang Josephson terdiri daripada dua bahagian superkonduktor yang dipisahkan oleh penghalang atau kawasan lemah yang sangat nipis. Dalam superkonduktor konvensional, elektron membentuk pasangan berkorelasi yang dikenali sebagai pasangan Cooper, dan keadaan kuantum makroskopik pada kedua-dua sisi simpang mempunyai fasa masing-masing. Brian Josephson meramalkan bahawa arus super boleh mengalir merentasi penghalang walaupun tiada voltan dikenakan. Beliau juga meramalkan hubungan antara voltan merentasi simpang dengan perubahan perbezaan fasa keadaan kuantum tersebut.

Penghalang itu tidak perlu difahami sebagai wayar biasa yang mengalirkan arus tanpa rintangan. Pengangkutan melalui simpang ialah fenomena kuantum yang koheren.

Daripada voltan kepada frekuensi

Jika voltan malar V dikenakan merentasi simpang Josephson, perbezaan fasa berubah mengikut masa. Arus super yang berkaitan kemudian berayun pada frekuensi f = (2e/h)V, dan hubungan songsangnya ialah V = (h/2e)f. Nisbah K_J = 2e/h dikenali sebagai pemalar Josephson. Inilah hubungan penting untuk metrologi, kerana voltan boleh dikaitkan terus dengan frekuensi. Jawatankuasa Hadiah Nobel menerangkan bahawa kesan Josephson mempunyai aplikasi penting dalam pengukuran tepat kerana ia mewujudkan hubungan antara skala voltan dengan frekuensi.

Mengapa muncul “anak tangga” voltan?

Apabila simpang Josephson didedahkan kepada gelombang mikro berfrekuensi f, ayunan intrinsik simpang boleh terkunci kepada isyarat luaran. Dalam keadaan terkunci ini, voltan tertentu muncul pada nilai Vₙ = n(h/2e)f, dengan n ialah integer, dan nilai ini dipanggil langkah voltan terkuantum. NIST memberikan hubungan yang sama bagi piawai voltan Josephson dan menggunakan sifat tersebut untuk menghubungkan voltan kepada frekuensi.

Sebagai contoh, untuk satu simpang pada f = 20 GHz, langkah n = 1 mempunyai voltan kira-kira 41.36 μV. Nilai ini kecil, maka satu simpang sahaja tidak mencukupi untuk menghasilkan piawai beberapa volt yang praktikal.

Mengapa menggunakan beribu-ribu simpang?

Jika banyak simpang Josephson disusun bersiri dan berada pada langkah kuantum yang sesuai, voltannya boleh dijumlahkan. NIST telah membangunkan piawai voltan Josephson boleh atur cara yang beroperasi sehingga 10 V, dan dalam satu reka bentuk sistem itu menggunakan tatasusunan simpang dengan isyarat sekitar 18 hingga 20 GHz. Sistem NIST SRI 6000 pula menghasilkan voltan arus terus boleh atur cara dalam julat tolak 10 V hingga tambah 10 V melalui gabungan voltan terkuantum daripada banyak simpang yang dikawal oleh isyarat gelombang mikro. Jadi voltan praktikal bukan datang daripada satu simpang yang menghasilkan 10 V, tetapi daripada gabungan keluaran kuantum banyak simpang.

Mengapa ini berguna sebagai piawai?

Bateri kimia boleh berubah dengan suhu, usia dan keadaan bahan. Simpang Josephson juga ialah peranti fizikal sebenar yang perlu beroperasi dalam keadaan tertentu, tetapi nilai langkah voltannya tidak ditentukan oleh nilai nominal komponen. Apabila simpang berada pada langkah kuantum yang betul, hubungan voltan dan frekuensi ditentukan oleh h/2e. Sejak takrif SI yang berkuat kuasa pada 20 Mei 2019, nilai pemalar Planck h dan cas asas e ditetapkan secara tepat, maka pemalar Josephson 2e/h juga diperoleh tepat daripada pemalar SI tersebut. NIST menggunakan piawai Josephson sebagai rujukan voltan primer yang berketepatan sangat tinggi.