Учени от Националния институт по стандартизация и технологии (NIST) създадоха нов термометър с помощта на атоми, чиито енергийни нива са толкова високи, че те са хиляда пъти по-големи от нормалните. Като наблюдават как тези гигантски Ридберг атоми взаимодействат с топлината в заобикалящата ги среда, изследователите могат да измерват температурата със забележителна точност. Чувствителността на термометъра може да подобри измерването на температурата в различни области - от квантовите изследвания до промишленото производство.

За разлика от традиционните термометри, термометърът на Ридберг не се нуждае от първоначална настройка или калибриране в завода, тъй като разчита на основните принципи на квантовата физика. Тези фундаментални квантови принципи дават възможност за прецизни измервания, които също така са пряко проследими до международни стандарти.

„По същество създаваме термометър, който може да осигурява точни температурни показания без обичайните калибрирания, които изискват настоящите термометри“, казва постдокторантът от NIST Ноа Шлосбергер.

Революция в измерването на температурата

Изследването, публикувано в списание Physical Review Research, е първото успешно измерване на температурата с помощта на атоми на Ридберг. За да създадат този термометър, изследователите напълват вакуумна камера с газ от рубидиеви атоми и използват лазери и магнитни полета, за да ги уловят и охладят почти до абсолютната нула, около 0,5 миликелвина (хилядни от градуса). Това означава, че атомите по същество не се движат. След това, с помощта на лазери, повишават външните електрони на атомите до много високи орбити, което ги атомите приблизително 1000 пъти по-големи от обикновените рубидиеви атоми.

В атомите на Ридберг най-външният електрон е далеч от ядрото на атома. Вследствие на това той е по-чувствителен към електрическите полета и други въздействия. Това включва и излъчването на черното тяло - топлината, отделяна от околните обекти. Радиацията на абсолютното черно тяло може да накара електроните в атомите на Ридберг да скочат на още по-високи орбити. Повишаването на температурата увеличава количеството на околната радиация на черното тяло и скоростта на този процес. По този начин изследователите могат да измерват температурата, като проследяват тези енергийни скокове във времето.

Този подход позволява да се открият дори най-малките температурни промени. Съществуват и други видове квантови термометри, но тези на Ридберг могат да измерват температурата на околната среда от около 0 до 100 градуса по Целзий, без да е необходимо да докосват измервания обект.

Този пробив не само проправя пътя за нов клас термометри, но е от особено значение за атомните часовници, тъй като излъчването на черното тяло може да намали тяхната точност.

„Атомните часовници са изключително чувствителни към температурни промени, които могат да причинят малки грешки в измерванията им“, казва Крис Холоуей, учен от NIST. „Надяваме се, че тази нова технология може да ни помогне да направим атомните часовници още по-точни.“

Освен в прецизната наука, новият термометър може да има широко приложение в предизвикателни среди - от космически кораби до модерни производствени предприятия, където чувствителното отчитане на температурата е от съществено значение.

С тази разработка NIST продължава да разширява границите на науката и технологиите.

„Този метод отваря вратата към свят, в който измерванията на температурата са толкова надеждни, колкото и фундаменталните константи на природата“, добави Холоуей. „Това е вълнуваща стъпка напред за технологията на квантовите сензори.“

Източник: Phys.org