62ª Reunião Anual da SBPC
A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 7. Física Geral
PADRÃO PRIMÁRIO DE TENSÃO COM BASE NO EFEITO JOSEPHSON
Gelson Martins da Rocha 1
1. Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - Inmetro
INTRODUÇÃO:

Os primórdios da Metrologia Elétrica Quântica remontam ao ano de 1962 quando Brian Josephson, então um estudante graduado da Universidade de Cambridge, fez a previsão teórica de que pares de elétrons poderiam sofrer um tunelamento através de dispositivos formados por dois supercondutores (S) separados por uma fina camada isolante (I), conhecidos como junções SIS. Esta previsão foi confirmada experimentalmente e um dos efeitos resultantes relaciona uma tensão uniforme com a carga do elétron (e) e a constante de Planck (h), possibilitando a reprodução de um padrão de tensão bastante estável e, o que é mais importante, baseado em constantes fundamentais da natureza.

As recentes pesquisas no campo da Metrologia (ciência da medição) Elétrica têm como foco o desenvolvimento dos denominados "Padrões Quânticos". A idéia por trás destas pesquisas é, em vez da realização da unidade por métodos de difícil execução, que exigem equipamentos e instalações de elevados custos, fazer a reprodução ou representação das grandezas elétricas através de leis e constantes fundamentais. O objetivo deste artigo é mostrar a implantação da padronização do volt com base no efeito Josephson realizada pelo Laboratório de Tensão e Corrente Elétrica (Latce), do Inmetro.

METODOLOGIA:

Fazendo uma análise através da mecânica quântica, Brian Josephson deduziu uma equação para a corrente que flui através de uma junção SIS. Para a Metrologia, o fenômeno mais importante que ocorre em uma junção SIS (hoje conhecidas como junções Josephson) resulta da aplicação de uma tensão contínua V através da fina camada isolante que separa os dois supercondutores. Como resultado observa-se uma corrente alternada de pares de elétrons fluindo pela junção com uma freqüência f = 2eV/h, onde e é a carga do elétron e h é a constante de Planck. Este fenômeno de natureza quântica é consequência da oscilação na corrente de pares de Cooper provenientes da variação da fase da função de onda dos dois lados da junção. Este efeito, conhecido como efeito Josephson AC, é observado como um degrau de tensão constante em um diagrama corrente x tensão através da junção. A oscilação natural também ocorre para os harmônicos de f, o que implica numa resposta em degraus para a tensão DC e na forma genérica da equação de Josephson, V = nhf/2e, onde n é um inteiro associado com o degrau de tensão.  

RESULTADOS:

A realização do projeto de padronização quântica do volt, no Inmetro, permitiu estabelecer melhores condições de reprodução e disseminação desta unidade, com níveis de exatidão extremamente altos. Permitindo, também, atender à demanda dos laboratórios acreditados quanto às faixas de medição e à diminuição das incertezas associadas aos processos de calibração de seus padrões.

Como principais resultados da padronização quântica do volt, ainda podemos citar: i) um significativo salto de qualidade na padronização do volt, evoluindo da tecnologia de pilhas padrão, do século XIX, para a padronização quântica, que estabelece as bases da metrologia no século XXI; ii) realização da padronização primária da unidade de tensão com base em constantes da natureza, diminuindo a incerteza associada ao processo de calibração dos padrões secundários de ± 1 ppm para ± 0.01 ppm; iii) capacitação do laboratório com um padrão primário de mesmo nível dos principais laboratórios metrológicos do mundo (BIPM/França, PTB/Alemanha e NIST/EUA), eliminando a necessidade de rastreamento dos padrões nacionais de tensão junto a estes laboratórios; iv) redução do tempo gasto com a manutenção e rastreabilidade do banco de padrões, permitindo um aumento da capacidade de serviço do laboratório.

CONCLUSÃO:

O padrão de tensão Josephson consiste em um circuito integrado supercondutor montado em um chip de dimensões reduzidas, aproximadamente 10 x 20 mm, soldado às conexões dc do bloco de um guia de onda conhecido como WR-12. Quando resfriado a 4.2 K ou menos e irradiado com uma onda de aproximadamente 5 mW a 75 GHz, gera degraus quânticos de tensão que é a base para a representação do volt no Sistema Internacional de unidades (SI). 

A realização do projeto de padronização quântica, que teve como finalidade inicial a reprodução da unidade de tensão com base no Efeito Josephson é extremamente importante, principalmente porque introduz no Brasil a mais alta tecnologia no que diz respeito à metrologia elétrica da medição do volt, permitindo estabelecer melhores condições de reprodução e disseminação desta unidade, com níveis de exatidão extremamente altos. Permitindo, ainda, atender à demanda dos laboratórios acreditados pela Rede Brasileira de Calibração quanto à exatidão das faixas de medição e à diminuição das incertezas associadas aos processos de calibração de seus padrões, diminuindo consequentemente as incertezas repassadas ao parque industrial do país.

 

Palavras-chave: metrologia, padronização, efeito josephson.