Термометр, изготовленный из атомов: физики научились измерять температуру без калибровки

Стандарты NIST больше не нужны?

Ученые обнаружили новый способ измерить температуру с помощью квантовых свойств атомов. Физики в Национальном институте стандартов и технологий США (NIS) создали необычный термометр, который не нуждается в калибровке — в отличие от всех существующих устройств. Метод основан на том факте, что специально подготовленные атомы Ридберга захватывают термическое излучение из нагретых объектов. В связи с тем, что электроны в этих атомах находятся в специально возбужденном состоянии, можно достичь исключительной точности: систематическая ошибка измерения составляет всего одну две тысячи части.

В настоящее время, как в лабораториях, так и в повседневной жизни, температура измеряется путем сравнения показаний со стандартом. Ноа Шлосбергер из NIST объясняет, что даже современные датчики температуры, которые обнаруживают излучение с использованием фотодиодов, нуждаются в калибровке. Обычно это включает в себя использование специальной поверхности с известной температурой, которая измеряется с помощью контактного термометра. Сам термометр также должен быть проверен — его показания сравниваются с другим устройством. Это создает целую цепь сравнений, которая в конечном итоге возвращается к основному стандарту в NIST или в другом метрологическом центре. В любом сравнении возможны неточности.

Новый метод позволяет прямое измерение излучения черного тела объекта — само излучение, спектр которого уникально определяет температуру тела. Сами атомы действуют как стандарт. Этот датчик не нуждается в калибровке — в соответствии с квантовой механикой, все атомы одного типа имеют точно одинаковые свойства.

В эксперименте физики включают в себя особую форму атомов вещества — Ридберг. Когда электронные оболочки этих частиц попадают в возбужденное состояние, их размер значительно увеличивается, а соединение ядра ослабевает. Это делает их необычайно чувствительными к внешним факторам. Первоначально команда изучала, как использовать атомы Ридберга для обнаружения электромагнитных полей. Тем не менее, вскоре ясно, что они «чрезвычайно чувствительны к вещанию черного тела», по словам менеджера проекта Кристофера Холлоуэя.

В центре экспериментальной установки лежит магнито -оптическая ловушка — она ​​расположена в вакуумной камере, заполненной чистыми рубиновыми деньгами. Каждые 300 миллисекунд ученые загружают новую партию атомов Рубидья в ловушку и охлаждают их до температуры около одного Миллисельвина. Затем, с помощью лазеров, частицы переносятся от уровня энергии 5s в Ридберг 32.

На следующей стадии эксперимента по частицам примерно 100 микросекунд дают для поглощения излучения черного тела из окружающих объектов. В течение этого времени часть ткани в состоянии 32S меняет свои характеристики. Затем исследователи создают сильное электрическое поле, постепенно увеличивая свою силу, что приводит к ионизации вещества.

Чем выше энергетическое состояние частицы, тем быстрее электрическое поле берет электроны. Следовательно, электроны из разных частиц не достигают детектора одновременно. Согласно их прибытию, ученые определяют, сколько частиц было на каждом уровне энергии. И эти данные рассчитывают температуру изученного субъекта.

Относительная систематическая ошибка измерения составляет 0,006 — при комнатной температуре это около 2 кельвина. На первый взгляд, точность уступает коммерческим термометрам, но важно понимать: новый метод измеряет абсолютную температуру, а не относительный.

Разработанная система может быть применена к оптическим часам, где тепловый фон оказывает значительное влияние на точность. Ученые теперь должны провести несколько термометрических измерений, чтобы понять, как излучение черного тела влияет на этот тип часов, не нарушая его.

По словам Шлосбергера, потребуется только один дополнительный лазер для применения метода в оптических часах. Это создаст государства Ридберга непосредственно в механизме хронометра. Основным преимуществом является то, что основной конструкции останется прежней — новая система использует то же оборудование. Это позволит измерять измерение именно там, где оно влияет на точность часов.