Il laboratorio realizza il volt mediante l’effetto Josephson. Il campione primario di tensione, raffreddato a 4.2 K in elio liquido, genera fino a 10 V in DC con accuratezza <1 ppb. Un criorefrigeratore a ciclo chiuso supporta la ricerca per semplificare il raffreddamento dei dispositivi Josephson ed estenderne l’impiego al regime AC.

Il laboratorio realizza il volt (V), unità SI della tensione elettrica, mediante l’effetto Josephson, fenomeno quantistico macroscopico che consente di generare tensioni perfettamente quantizzate e direttamente riferibili alle costanti fondamentali del SI: la costante di Planck, la carica elementare e la frequenza di transizione iperfine dell’atomo di cesio-133. Quando una giunzione Josephson è irradiata da un segnale alternato (AC), tipicamente nel regime delle microonde, genera livelli di tensione quantizzati legati con accuratezza estrema alla frequenza della microonda applicata. Questo principio permette di realizzare riferimenti primari di tensione con stabilità e accuratezza ai massimi livelli metrologici (migliore di 1 parte per miliardo).

Due aspetti fondamentali caratterizzano tali sistemi:

a) Criogenia: per ottenere lo stato superconduttivo, le giunzioni Josephson devono essere raffreddate a temperature prossime allo zero assoluto.

b) Scalabilità: una singola giunzione irradiata a 70 GHz sviluppa una tensione quantizzata di circa 150 µV; per ottenere valori di interesse pratico (>1 V), migliaia di giunzioni vengono collegate in serie.

Il campione primario di tensione continua (DC) è costituito da un dispositivo Josephson Programmabile (PJVS) con circa 70 000 giunzioni in serie, raffreddato a 4.2 K in un criostato a elio liquido. Il sistema è in grado di generare tensioni quantizzate fino a 10 V con accuratezza estremamente elevata e rappresenta il riferimento primario nazionale per la taratura di strumentazione elettronica di alta fascia, come riferimenti di tensione a stato solido (ad esempio Fluke 732) e voltmetri digitali ad altissima precisione come Keysight 3458 e Fluke 8588.

Il laboratorio dispone inoltre di un criorefrigeratore a ciclo chiuso di tipo “pulse-tube”, capace di raggiungere temperature inferiori a 4 K senza l’impiego di liquidi criogenici. Tale sistema è utilizzato per attività di ricerca volte sia all’estensione dell’uso dei dispositivi Josephson al regime di tensione alternata (AC), per frequenze fino a 1 MHz, sia alla semplificazione operativa mediante il progressivo superamento dei sistemi a elio liquido. Oltre a campioni di tipo PJVS, in questo sistema si utilizzano anche dispositivi Josephson “pulse-driven”, anche noti come Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS), nei quali il segnale sinusoidale in radiofrequenza è sostituito da treni di impulsi estremamente brevi (<1 ns), ripetuti fino a 15 GHz, consentendo la sintesi di forme d’onda arbitrarie quantizzate e calcolabili con riferibilità diretta al SI.