Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST). создали Новый термометр использует атомы, разогнанные до высоких уровней энергии, размер которых тысячу раз превышает обычный. Наблюдая за взаимодействием гигантских «ридберговских» атомов с теплом окружающей среды, исследователи измеряют температуру с высокой точностью.
Термометр Ридберга не требует предварительной настройки или калибровки на заводе, так как основан на законах квантовой физики. Благодаря этим фундаментальным принципам проводятся точные измерения, которые соответствуют международным стандартам. «Мы создаем термометр, дающий точные показания температуры без калибровки, необходимой нынешним термометрам», — отмечает ученый NIST Ноа Шлоссбергер.
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review ResearchПервое успешное измерение температуры с применением атомов Ридберга стало возможным благодаря созданию термометра. Для его изготовления вакуумная камера была заполнена газом из атомов рубидия. С помощью лазеров и магнитных полей ученые захватили и охладили их до 0,5 милликельвина — приблизительно до сотых долей градуса. В результате атомы почти не двигались. Затем с помощью лазеров крайние электроны атомов были подняты на очень высокие орбиты, увеличив их в 1000 раз по сравнению с обычными атомами рубидия.
Электрон в крайнем слое ридберговского атома располагается далеко от ядра, что повышает чувствительность к электрическим полям и другим воздействиям, например, излучению абсолютного черного тела — теплу от окружающей среды. Излучение черного тела может заставить электроны перейти на более высокие орбиты в ридберговских атомах. Рост температуры увеличивает количество излучения черного тела и ускоряет этот процесс. В результате исследователи могут измерять температуру, наблюдая скачки энергии во времени.
Этот метод позволяет выявить даже самые мелкие перепады температуры. Вместе с другими типами квантовых термометров, ридберговские могут измерить температуру окружающей среды в диапазоне от 0 до 100 градусов Цельсия без прямого контакта с объектом.
Этот прорыв открывает путь не только к созданию нового класса термометров, но и имеет особое значение для атомных часов. Излучение черного тела может снизить их точность. «Атомные часы чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры, что может привести к небольшим ошибкам в измерениях», — говорит научный сотрудник NIST Крис Холлоуэй. «Новая технология поможет сделать атомные часы еще более точными».
Новый термометр пригоден для использования в трудных ситуациях: от космических судов до заводов с высокими технологиями, где важны точные измерения температуры.
Благодаря разработке NIST продолжает расширять границы науки и техники. «Новый метод открывает дверь в мир, где измерения температуры будут столь же точны, как фундаментальные константы природы», — сказал Холлоуэй. «Это захватывающий шаг вперед для технологии квантовых датчиков».
[Фото: N. Schlossberger / NIST]