Un dispositivo de última generación ha permitido la determinación más precisa de la constante de Planck, un valor que ayudará a redefinir el kiló, unidad oficial de masa en el sistema de unidades.

Aceptados para su publicación en la revista Metrologia, estos nuevos resultados, obtenidos por investigadores del National Institute of Standards and Technology (NIST), se adelantan a un plazo internacional del 1 de julio para mediciones que pretenden redefinir el sistema internacional de unidades entero en términos de constantes fundamentales de la naturaleza.

La nueva medida del NIST de la constante de Planck es 6.626069934 x 10-34 kg-m2/s, con una incertidumbre de sólo 13 partes por mil millones. La medición anterior del NIST, publicada en 2016, tenía una incertidumbre de 34 partes.

El kilogramo se define actualmente en términos de la masa de un artefacto platino-iridio almacenado en Francia. Los científicos quieren reemplazar este artefacto físico por una definición más reproducible del kilogramo que se basa en las constantes fundamentales de la naturaleza.

La constante de Planck permite a los investigadores relacionar la masa con la energía electromagnética. Para medir la constante de Planck, el NIST usa un instrumento conocido como el balance de Kibble, originalmente llamado equilibrio de vatios. Los físicos adoptaron ampliamente el nuevo nombre el año pasado para honrar al fallecido físico británico Bryan Kibble, quien inventó la técnica hace más de 40 años.

El balance Kibble del NIST utiliza fuerzas electromagnéticas para equilibrar una masa de kilogramo. Las fuerzas electromagnéticas son proporcionadas por una bobina de alambre intercalada entre dos imanes permanentes.

El balance de Kibble tiene dos modos de funcionamiento. En un modo, una corriente eléctrica pasa a través de la bobina, generando un campo magnético que interactúa con el campo magnético permanente y crea una fuerza ascendente para equilibrar la masa del kilogramo. En el otro modo, la bobina se levanta a una velocidad constante. Este movimiento ascendente induce un voltaje en la bobina que es proporcional a la fuerza del campo magnético. Al medir la corriente, la tensión y la velocidad de la bobina, los investigadores pueden calcular la constante de Planck, que es proporcional a la cantidad de energía electromagnética necesaria para equilibrar una masa.

Hay tres razones principales para la mejora en las nuevas mediciones, dijo en un comunicado el físico Stephan Schlamminger, líder del esfuerzo del NIST.

Primero, los investigadores tienen muchos más datos. El nuevo resultado utiliza un valor de 16 meses de mediciones, de diciembre de 2015 a abril de 2017. El aumento de las estadísticas experimentales redujo en gran medida la incertidumbre en su valor de Planck.

En segundo lugar, los investigadores probaron variaciones en el campo magnético durante ambos modos de operación y descubrieron que habían estado sobrestimando el impacto que el campo magnético de la bobina estaba teniendo en el campo magnético permanente. Su posterior ajuste en sus nuevas mediciones incrementó su valor de la constante de Planck y redujo la incertidumbre en su medición.

Finalmente, los investigadores estudiaron con gran detalle cómo la velocidad de la bobina móvil afectó el voltaje. “Variamos la velocidad que movimos la bobina a través del campo magnético, de 0,5 a 2 milímetros por segundo”, explicó Darine Haddad, autor principal de los resultados del NIST.

En un campo magnético, la bobina actúa como un circuito eléctrico que consiste en un condensador (un elemento de circuito que almacena la carga eléctrica), una resistencia (un elemento que disipa la energía eléctrica) y un inductor (un elemento que almacena la energía eléctrica). En una bobina móvil, estos elementos similares a circuitos generan un voltaje eléctrico que cambia con el tiempo, dijo Schlamminger. Los investigadores midieron este cambio de voltaje dependiente del tiempo para tener en cuenta este efecto y redujeron la incertidumbre en su valor.


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