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La storia del rumore di Johnson-Nyquist: come questa scoperta ha cambiato la nostra tecnologia?
Nella storia dell'elettronica, un tipo di rumore è considerato onnipresente: il rumore Johnson-Nyquist. Questo rumore elettronico, causato dal movimento delle particelle calde, è presente indipendentemente dalla tensione applicata, rendendolo una parte inevitabile di tutti i circuiti elettronici. Gli effetti di questo rumore sono particolarmente evidenti nelle apparecchiature elettroniche sensibili, come i ricevitori radio, dove i segnali deboli possono essere sepolti dall'umidità, limitando la sensibilità degli strumenti di misura elettrici. Con l'avanzare della tecnologia, la questione su come gestire e ridurre questo rumore è intrigante, ed è ciò a cui hanno contribuito Johnson e Nyquist.
Il rumore Johnson è generato dal movimento termico di portatori carichi (solitamente elettroni) all'interno di un conduttore elettrico e si verifica all'equilibrio con o senza una tensione applicata.
La storia del rumore termico
La storia del rumore termico risale al 1905, quando Albert Einstein spiegò per la prima volta il moto browniano in termini di fluttuazioni termiche nella sua famosa pubblicazione di quell'anno. L'anno successivo propose che questo fenomeno potesse essere utilizzato anche per ricavare una teoria delle correnti termicamente eccitate, ma non completò i calcoli, trattandola come una teoria non verificabile. Tuttavia, nel tempo, la teoria ha visto applicazioni e sviluppi pratici.
Nel 1912, la figlia di Hermann Lorenz, Gertrude de Haas-Lorenz, ampliò la teoria stocastica di Einstein e la applicò per la prima volta agli elettroni nella sua tesi di dottorato Ricerca e derivò la formula per il valore quadratico medio della corrente termica. Nel 1918, mentre studiava il rumore termico, Walter H. Schottky scoprì accidentalmente un altro tipo di rumore, il rumore di sparo. Più tardi, nel 1927, Fritz Zelnick giunse alla stessa conclusione riguardo al rumore termico nei test di un galvanometro ad alta sensibilità. Ha concluso che il rumore era di natura termica.
Nel suo articolo del 1928, Nyquist utilizzò i principi della termodinamica e della meccanica statistica per spiegare i risultati sperimentali di John e li pubblicò formalmente. Questa scoperta influenzò profondamente il successivo sviluppo dell'elettronica.
L'applicazione del rumore termico nella tecnologia moderna
Con il progresso della tecnologia elettronica, l'impatto del rumore Johnson-Nyquist nelle apparecchiature elettroniche sensibili ha ricevuto sempre più attenzione. In alcuni casi, questo rumore può addirittura diventare un importante fattore limitante nelle misurazioni. Pertanto, molti dispositivi elettronici sensibili, come i ricevitori dei radiotelescopi, vengono spesso raffreddati a temperature basse fino a pochi Kelvin per migliorare il loro rapporto segnale-rumore.
Misurazione e applicazione
Inoltre, le caratteristiche del rumore Johnson-Nyquist vengono utilizzate anche nella tecnologia di misurazione di precisione, nota come calorimetro del rumore Johnson. Nel 2017, il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha utilizzato questa tecnologia per misurare la costante di Boltzmann, con una precisione inferiore a 3 ppm. Ciò non solo rende la costante di Boltzmann una costante misurabile sperimentalmente, ma pone anche le basi per la ridefinizione di Kelvin nel 2019.
Sfide e prospettive future
Tuttavia, sebbene la tecnologia abbia fatto grandi progressi, come ridurre ulteriormente il rumore per migliorare la sensibilità dei dispositivi elettronici è ancora una questione importante. Molti ricercatori stanno anche esplorando nuovi materiali o nuove strutture, sperando di superare le sfide poste dal rumore termico e ottenere misurazioni di maggiore precisione.
Di fronte alle sfide della tecnologia futura, la possibilità di controllare e ridurre efficacemente il rumore Johnson-Nyquist nei sistemi elettronici diventerà un simbolo importante per determinare una tecnologia elettronica più sensibile ed efficace.
In definitiva, nel processo di sviluppo tecnologico, come trasformare la conoscenza del rumore Johnson-Nyquist in una tecnologia applicativa più efficiente e ridurne l'impatto sulle prestazioni delle apparecchiature è una sfida che molti scienziati devono affrontare?
