Naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) stworzyli nowy termometr z wykorzystaniem atomów zwiększonych do tak wysokich poziomów energii, że są one tysiące razy większe niż zwykle. Monitorując, w jaki sposób te gigantyczne atomy „Rydberga” oddziałują z ciepłem w ich środowisku, naukowcy mogą mierzyć temperaturę z niezwykłą dokładnością. Czułość termometru może poprawić pomiary temperatury w dziedzinach, od badań kwantowych po produkcję przemysłową.
W przeciwieństwie do tradycyjnych termometrów, termometr Rydberga nie musi być najpierw dostosowywany ani skalibrowany w fabryce, ponieważ z natury opiera się na podstawowych zasadach fizyki kwantowej. Te fundamentalne zasady kwantowe dają precyzyjne pomiary, które są również bezpośrednio identyfikowalne ze standardami międzynarodowymi.
„Zasadniczo tworzymy termometr, który może zapewnić dokładne odczyty temperatury bez zwykłych kalibracji, których wymagają obecne termometry” – powiedział Nistoh Nistour Badacz Nistoh Noah Schlossberger.
Rewolucjonizacja pomiaru temperatury
Badanie, opublikowane w Physical Review Research, jest pierwszym udanym pomiarem temperatury przy użyciu atomów Rydberga. Aby stworzyć ten termometr, naukowcy wypełnili komorę próżniową gazem atomów Rubidium i używali laserów i pól magnetycznych do zatrzymywania i ochłodzenia ich do prawie bezwzględnego zera, około 0,5 milikelvina (tysiące stopni). Oznacza to, że atomy zasadniczo się nie poruszały. Korzystając z laserów, następnie zwiększyli zewnętrzne elektrony atomy do bardzo wysokich orbit, dzięki czemu atomy o około 1000 razy większe niż zwykłe atomy Rubidium.
W atomach Rydberga najbardziej zewnętrzny elektron jest daleko od rdzenia atomu, co czyni go bardziej reagującym na pola elektryczne i inne wpływy. Obejmuje to promieniowanie ciała czarnego, ciepło emitowane przez otaczające obiekty. Promieniowanie ciała czarnego może powodować, że elektrony w atomach Rydberga przeskakują do jeszcze wyższych orbit. Rosnące temperatury zwiększają ilość promieniowania w otoczeniu czarnego i szybkość tego procesu. W ten sposób naukowcy mogą mierzyć temperaturę, śledząc te skoki energii w czasie.
Takie podejście umożliwiło wykrycie nawet najbardziej drobnych zmian temperatury. Chociaż istnieją inne rodzaje termometrów kwantowych, termometry Rydberga mogą mierzyć temperaturę ich środowiska od około 0 do 100 stopni Celsjusza bez konieczności dotknięcia mierzonego obiektu.
Ten przełom nie tylko toruje drogę nowej klasie termometrów, ale jest szczególnie znaczący dla zegarów atomowych, ponieważ promieniowanie ciała czarnego może zmniejszyć ich dokładność.
„Zegary atomowe są wyjątkowo wrażliwe na zmiany temperatury, co może powodować małe błędy w ich pomiarach” – powiedział Chris Holloway, naukowcy z NIST. „Mamy nadzieję, że ta nowa technologia może pomóc, aby nasze zegary atomowe były jeszcze dokładniejsze”.
Oprócz precyzyjnej nauki, nowy termometr mógłby mieć szeroko zakrojone zastosowania w trudnych środowiskach, od statku kosmicznego po zaawansowane zakłady produkcyjne, w których niezbędne są odczyty temperatury.
Dzięki temu rozwojowi NIST nadal przekracza granice nauki i technologii.
„Ta metoda otwiera drzwi do świata, w którym pomiary temperatury są tak niezawodne jak podstawowe stałe natury” – dodał Holloway. „To ekscytujący krok naprzód dla technologii czujności kwantowej”.