Este trabajo está apartado: junto a él en el archivo hay investigaciones sobre algoritmos cuánticos, corrección de errores cuánticos y computadoras cuánticas, pero el vecino más cercano está a una distancia de 0.541, y no hay trabajos contiguos. No obstante, el grupo temático del mapa indica tecnologías cuánticas, y este artículo llena un vacío entre los patrones cuánticos y la criogenia práctica. El comparador criogénico de corriente (CCC) es una herramienta indispensable en la metrología eléctrica para calibrar resistencias con una exactitud de unas pocas partes en $10^9$. Tradicionalmente, estos instrumentos se sumergen en helio líquido, pero su costo y disponibilidad están empeorando. Los criocoolers de tubo de pulso (pulse-tube cryocoolers) permiten alcanzar temperaturas por debajo de 4 K sin helio líquido, pero generan vibraciones mecánicas que pueden degradar la exactitud de las mediciones. Además, las sondas CCC diseñadas para inmersión en líquido son difíciles de enfriar en aislamiento de vacío debido a los múltiples blindajes magnéticos anidados. Los autores resuelven este problema utilizando helio gaseoso como medio de intercambio de calor dentro de una cámara hermética.
Se desarrolló una cámara de helio gaseoso montada en la etapa de 4 K de un criostato de ciclo cerrado (BlueFors LD250) con tubo de pulso. Se colocó un CCC comercial de 12 bits (desarrollado en PTB) dentro de esta cámara. Se suministra helio gaseoso (pureza 99.995 %) a la cámara a través de válvulas de aguja de precisión; la presión se controla con un manómetro Pirani por debajo de 1 kPa y con un manómetro mecánico por encima. Para suprimir la transferencia de calor a través del gas entre etapas, la sección de fuelle se rellena con lana de vidrio cilíndrica. Anclajes térmicos de cobre libre de oxígeno conectan el tubo de soporte del CCC con la primera y segunda etapas del refrigerador mediante trenzados de cobre de sección 8 mm². Para evaluar las características metrológicas, se realizaron mediciones de la relación de resistencias 10 kΩ/100 Ω (devanados 4000:40) y del efecto Hall cuántico (QHR) frente a 100 Ω (devanados 4001:31). Las mediciones se realizaron con inversión de corriente para compensar la deriva.
A una presión de helio de aproximadamente 20 Pa, la amplitud de la curva flujo-voltaje del SQUID alcanzó la saturación y se igualó al valor con enfriamiento líquido (~88 mV). Las mediciones de la relación 10 kΩ/100 Ω mostraron una dependencia de ruido blanco hasta un tiempo de promediado de $10^4$ s; la incertidumbre tipo A alcanzó 1 nΩ/Ω en 1000 s. Para QHR/100 Ω, la incertidumbre de 1 nΩ/Ω se alcanzó ya en 100 s. La comparación con los datos de enfriamiento líquido reveló que, para QHR/100 Ω, el ruido con enfriamiento por gas fue aproximadamente un 35 % mayor que con enfriamiento líquido; sin embargo, para 10 kΩ/100 Ω no hubo diferencia debido al predominio del ruido Johnson de la resistencia de 10 kΩ. La verificación de errores en los coeficientes de devanado en presencia de un campo magnético de 11 T (para QHR) no mostró degradación: todos los errores están en el nivel de $10^{-9}$ o inferior. La desviación media de los resultados de QHR/100 Ω respecto a los datos históricos para siete resistencias fue de 0.77 nΩ/Ω con una desviación estándar de 1.38 nΩ/Ω, y la desviación máxima fue de 2.7 nΩ/Ω. El sistema consume menos de 1 L de helio gaseoso por ciclo térmico (equivalente a 1 ml de helio líquido).
Este trabajo se distingue de sus vecinos en el archivo porque los vecinos se ocupan de algoritmos cuánticos y corrección de errores, mientras que aquí se aborda un problema aplicado: la integración de un patrón cuántico en un criostato sin líquido. Esta es la primera demostración de que un CCC comercial, diseñado para helio líquido, puede funcionar en un entorno gaseoso conservando sus características metrológicas. La integración exitosa de CCC y QHR en un mismo refrigerador, con requisitos conflictivos de campo magnético (10 T para QHR y la supersensibilidad del SQUID), abre el camino hacia sistemas compactos y económicos de patrones cuánticos de resistencia. La reducción del consumo de helio, de litros de helio líquido a menos de 1 litro de gas por ciclo, es crítica en el contexto de la escasez mundial de helio.
El tema podría desarrollarse hacia una mayor reducción del ruido del tubo de pulso. En el apéndice se muestra que el ruido de alta frecuencia (por encima de 80 Hz) aumenta cuando el tubo de pulso está en funcionamiento, y aunque no se ha demostrado un efecto directo en las mediciones de CC, es posible una rectificación no lineal en el SQUID. Investigaciones futuras podrían incluir aislamiento activo de vibraciones, optimización de la cámara de gas o el uso de criocoolers alternativos con menor vibración. También es prometedor ampliar el rango de resistencias medibles e integrar otros patrones cuánticos (por ejemplo, el patrón cuántico de corriente).
Este trabajo influirá en los institutos nacionales de metrología, que podrán mantener patrones cuánticos de resistencia sin depender del suministro de helio líquido. También es importante para laboratorios que desarrollan estándares cuánticos basados en grafeno u otros materiales que requieren temperaturas criogénicas pero buscan autonomía.
Los próximos pasos incluyen dilucidar el mecanismo del mayor ruido con enfriamiento por gas en las mediciones de QHR/100 Ω, posiblemente mediante la correlación con las vibraciones del tubo de pulso. También se planea la operación prolongada del sistema para acumular estadísticas de estabilidad y ampliar las capacidades de calibración a otros valores de resistencia.
En metrología eléctrica, un problema no resuelto es alcanzar la máxima exactitud de los patrones cuánticos en un entorno de laboratorio real, especialmente con recursos limitados de helio. Este trabajo vincula el problema del ruido de los criocoolers con la exactitud de las mediciones de CC, lo cual es relevante para futuros patrones primarios. También queda abierta la cuestión del efecto de las vibraciones de alta frecuencia en mediciones de baja frecuencia a través de las no linealidades de los SQUIDs.
El helio gaseoso a 4.2 K permanece en estado gaseoso a presiones inferiores a 100 kPa, por lo que puede usarse como medio de intercambio de calor sin riesgo de condensación. El consumo de menos de 1 litro de gas por ciclo equivale a solo 1 mililitro de helio líquido, lo que es cientos de veces menos que en los criostatos tradicionales.
En la novela de Arkadi y Borís Strugatski «El lunes comienza el sábado», el instituto mágico NIICHAVO se enfrenta a la escasez de recursos para sus experimentos. Aquí, la ciencia resuelve el problema de la escasez de helio con una elegante solución de ingeniería, que recuerda cómo en la ciencia ficción los héroes sortean las limitaciones del entorno.