Esta balança promete melhorar medida do quilograma

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/08/2022

Gráfico de deformação total de uma análise de elementos finitos no modelo de balanço de vigas para a nova balança.
[Imagem: Lorenz Keck et al. - 10.1140/epjti/s40485-022-00080-3]

Quilograma mais preciso

Uma otimização em uma balança especial poderá tornar o quilograma uma unidade ainda mais precisa do que ela se tornou nos anos recentes.

Até 2018, a unidade de massa do Sistema Internacional, o quilograma, era definida como a massa de um objeto real: o Protótipo Internacional Quilograma, um cilindro de platina e irídio mantido em uma instalação segura nos arredores de Paris.

Além de ser algo arbitrário, os cientistas descobriram que o quilograma ficava mais pesado com o passar dos anos, o que reforçou os anseios por um quilograma que não mudasse com o tempo.

Assim, em 16 de novembro de 2018, o quilograma recebeu uma nova definição aceita internacionalmente, com base em três constantes definidoras: A velocidade da luz, a constante de Planck e a frequência de transição hiperfina do elemento césio.

Um dos métodos para medir uma massa com base nessa nova definição é um dispositivo chamado balança de Kibble. Contudo, apesar da precisão atual das medições desse dispositivo, seus componentes podem ser melhorados, reduzindo as fontes de incertezas.

E uma nova abordagem otimizada para o projeto da balança Kibble acaba de ser apresentada por Lorenz Keck e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) dos EUA.

Esquema da balança de Kibble integrada.
[Imagem: Lorenz Keck et al. - 10.1140/epjti/s40485-022-00080-3]

Balança de Kibble

Uma balança Kibble é um instrumento de medição eletromecânico que mede o peso de um objeto de teste verificando a corrente elétrica e a tensão (voltagem) necessária para produzir uma força de compensação para esse objeto.

Hoje, a balança de Kibble permite medir massas em macroescala com base diretamente em princípios quânticos fundamentais. Para isso, são medidos dois efeitos quânticos: O efeito Josephson e a resistência quântica Hall (QHR) - uma forma quantizada de resistência elétrica que pode ser medida em materiais 2D a baixas temperaturas, quando esses materiais são submetidos a fortes campos magnéticos.

Hoje, a QHR é medida em um experimento separado, externo ao sistema de medição, o que exige complexas e tediosas calibrações, introduzindo incertezas na medição geral.

Para superar essa deficiência, Keck e seus colegas estão desenvolvendo um dispositivo que eles chamam de "Conjunto de Metrologia Eletromecânica Quântica" ou QEMMS, na sigla em inglês (Quantum Electro-Mechanical Metrology Suite). Esse sistema implementa a medição da QHR diretamente no circuito elétrico da balança Kibble, juntamente com o sistema para medir a tensão Josephson, eliminando qualquer incerteza de calibração.

O protótipo da nova balança foi otimizado para massas que variam de 10 a 200g. Para massas de 100g, as medições foram feitas com uma incerteza relativa de apenas 2 x 10^-8, praticamente a mesma da mais precisa medição do quilograma já feita até hoje. Mas o projeto integrado permitirá chegar mais longe.

"Estamos almejando uma resolução da balança de 1 × 10^-9 em 100 g. Isso produz uma resolução de massa absoluta de 0,1 micrograma, o que é aproximadamente equivalente a uma resolução de força de 1 nanoNewton," escreveu a equipe

O aparato inteiro também é menor do que os laboratórios usados até hoje, com a balança de Kibble integrada cabendo em uma sala de de aproximadamente 4m × 5m.

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