Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали новый термометр, в котором используются атомы, разогнанные до таких высоких уровней энергии, что их размер в тысячу раз превышает обычный. Наблюдая за тем, как эти гигантские «ридберговские» атомы взаимодействуют с теплом в окружающей среде, исследователи могут измерять температуру с поразительной точностью. Чувствительность термометра может улучшить измерения температуры в самых разных областях — от квантовых исследований до промышленного производства.
В отличие от традиционных термометров, термометр Ридберга не нужно предварительно настраивать или калибровать на заводе, поскольку он опирается на основные принципы квантовой физики. Эти фундаментальные законы позволяют проводить точные измерения, которые можно напрямую проследить по международным стандартам. «По сути, мы создаем термометр, который может давать точные показания температуры без калибровки, которая требуется нынешним термометрам», — говорит ученый NIST Ноа Шлоссбергер.
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Research, является первым успешным измерением температуры с помощью атомов Ридберга. Чтобы создать этот термометр, ученые заполнили вакуумную камеру газом с атомами рубидия и с помощью лазеров и магнитных полей захватили и охладили их почти до абсолютного нуля, около 0,5 милликельвина (тысячных долей градуса). Это означает, что атомы практически не двигаются. Затем с помощью лазеров они подняли крайние электроны атомов на очень высокие орбиты, в результате чего атомы стали примерно в 1000 раз больше, чем обычные атомы рубидия.
В ридберговских атомах крайний электрон находится далеко от ядра атома, что делает его более чувствительным к электрическим полям и другим воздействиям. К ним относится излучение абсолютного черного тела — тепло, излучаемое окружающими предметами. Излучение абсолютного черного тела может заставить электроны в ридберговских атомах перейти на более высокие орбиты. Повышение температуры увеличивает количество окружающего излучения черного тела и скорость этого процесса. Таким образом, исследователи могут измерять температуру, отслеживая эти скачки энергии во времени.
Такой подход позволяет обнаружить даже самые незначительные изменения температуры. Хотя существуют и другие типы квантовых термометров, ридберговские термометры могут измерять температуру окружающей среды в диапазоне от 0 до 100 градусов Цельсия без необходимости прикасаться к измеряемому объекту.
Этот прорыв не только открывает путь к созданию нового класса термометров, но и имеет особое значение для атомных часов, поскольку излучение черного тела может снизить их точность. «Атомные часы чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры, что может привести к небольшим ошибкам в их измерениях», — говорит научный сотрудник NIST Крис Холлоуэй. «Мы надеемся, что новая технология поможет сделать наши атомные часы еще более точными».
Также новый термометр может найти широкое применение в сложных условиях — от космических кораблей до передовых производственных предприятий, где необходимы чувствительные температурные показатели.
Благодаря этой разработке NIST продолжает расширять границы науки и техники. «Новый метод открывает дверь в мир, где измерения температуры будут столь же надежны, как и фундаментальные константы природы», — добавил Холлоуэй. «Это захватывающий шаг вперед для технологии квантовых датчиков».
[Фото: N. Schlossberger / NIST]
