Устройство, основанное на квантовых эффектах и атомах больших размеров, может представлять собой более надежный способ измерения температуры, не требующий калибровки.
Основная часть новой установки для охлаждения и удержания атомов рубидия. Томаш Кавалец CC BY-SA 4.0
Более точное и надежное определение температуры можно получить с помощью квантового устройства, состоящего из гигантских атомов.
Хотя в одних странах температура измеряется в градусах Цельсия, а в других — в градусах Фаренгейта, физики во всем мире используют единицу измерения, называемую кельвином. Ноль кельвинов обозначает самую низкую температуру, допустимую согласно известным законам физики, поэтому говорят, что кельвин измеряет «абсолютную температуру». Однако на практике убедиться в том, что измеренная единица кельвина действительно является единицей кельвина, — трудоемкий процесс.
«Если вы хотите измерить абсолютную температуру, вы покупаете коммерческий датчик температуры, который калибруется с помощью другого коммерческого датчика температуры, который, в свою очередь, калибруется с помощью еще одного коммерческого датчика температуры и так далее. И один из этих датчиков в какой-то момент отправляется в Национальный институт стандартов и технологий», — говорит Ноа Шлоссбергер из NIST в Колорадо.
Он и его коллеги создали устройство, использующее квантовые эффекты для измерения кельвинов, которое исследователи могли бы использовать вместо того, чтобы обращаться к кому-либо для калибровки своих датчиков.
Устройство представляет собой небольшой ящик из металла и стекла, содержащий захваченные атомы рубидия. Исследователи увеличивают размер этих атомов до экстремальных значений, используя лазеры для перемещения самых внешних электронов на необычайно большое расстояние от ядра, а также до экстремальной температуры, используя как лазеры, так и электромагнитные поля для захвата и охлаждения атомов примерно до половины милликельвина, что примерно в 600 000 раз меньше комнатной температуры.
В результате внешние электроны в атомах рубидия становятся чрезвычайно чувствительными даже к небольшому повышению температуры и «перескакивают» в другое квантовое состояние при воздействии температуры. Именно эти «скачки» делают устройство отличным датчиком температуры, поскольку существуют хорошо разработанные математические модели, позволяющие определить необходимые для этого перепады температур, что фактически позволяет переопределить кельвин в этих терминах.
Международное бюро мер и весов определяет кельвин аналогичным образом — как произведение нескольких квантовых констант, — но на практике даже такие учреждения, как NIST, используют для калибровки неквантовые устройства. Есть надежда, что новое устройство даст квантовое определение кельвина там, где калибровка не потребуется.
«Каждый атом рубидия в мире абсолютно одинаков, и они будут вести себя абсолютно одинаково в одинаковых условиях. Я могу воссоздать устройство на другом конце света, и оно будет точно таким же», — говорит Шлоссбергер. Он отмечает, что это особенно важно для обеспечения правильной работы высокоточных устройств, таких как атомные часы, которые могут работать только при очень низких температурах по Кельвину.
Однако новое устройство пока является прототипом, и поэтому в нем все еще есть недостатки, например, в способе обнаружения квантовых состояний. Кроме того, оно слишком громоздкое, чтобы покинуть лабораторию, и на его создание ушло более шести месяцев. Сейчас исследователи работают над оптимизацией его конструкции, чтобы сделать его более практичным и повысить точность.
Шлоссбергер представил свою работу 16 марта на Всемирном физическом саммите Американского физического общества в Колорадо.
Источник: www.newscientist.com
