Fyzici vyvíjejí nový způsob určování teploty na základě principů kvantové mechaniky, čímž potenciálně eliminují potřebu tradičních kalibračních metod, které se opírají o řetězec komerčně certifikovaných senzorů. Průlom, představený na Global Physics Summit American Physical Society, zahrnuje zařízení, které využívá chování ultrachladných atomů rubidia k nastavení absolutního standardu pro Kelvinovu stupnici.
Problém se současnými teplotními normami
V současné době jsou měření teploty – ať už ve stupních Celsia, Fahrenheita nebo fyzikálního standardu Kelvin – nakonec vysledována zpět ke kalibracím prováděným národními normalizačními instituty, jako je Národní institut pro standardy a technologie (NIST). Tento proces, i když je účinný, je v podstatě nepřímý. Každý senzor se spoléhá na kalibraci druhého senzoru, což vytváří závislost, která zavádí potenciální chybu. Nula Kelvina představuje teoretickou absolutně nejchladnější teplotu, ale ověření přesnosti jednoho Kelvina zůstává náročné.
Jak funguje kvantové zařízení
Nové zařízení tento problém řeší přímým propojením teploty se základní kvantovou vlastností. Výzkumníci zachycují atomy rubidia a manipulují s nimi pomocí laserů a elektromagnetických polí, ochlazují je na přibližně 0,0000017 pokojové teploty (půl milikelvinu). Při takto extrémních teplotách se nejvzdálenější elektrony stávají neuvěřitelně citlivými i na ty nejmenší teplotní výkyvy.
Když jsou tyto elektrony vystaveny teplu, „skočí“ do různých kvantových stavů. Klíčovým bodem je, že tyto přechody se řídí dobře definovanými matematickými pravidly, což znamená, že teplotu lze určit přímo z frekvence těchto elektronických přechodů.
“Každý atom rubidia na světě je úplně stejný a za stejných podmínek se budou chovat úplně stejně. Mohl bych přestavět zařízení na druhém konci světa a bylo by to úplně stejné,” říká Noah Schlossberger z NIST a vyzdvihuje potenciální všestrannost zařízení.
Důsledky a další vývoj
Mezinárodní úřad pro váhy a míry již definuje Kelvina na základě kvantových konstant. Nicméně i NIST používá pro vlastní kalibraci konvenční senzory. Toto nové zařízení nabízí zcela kvantově založenou ověřovací metodu. Jeho hlavní výhodou je jeho vlastní reprodukovatelnost: protože se všechny atomy rubidia chovají identicky za stejných podmínek, může být zařízení teoreticky replikováno kdekoli se stejnými výsledky.
Tato úroveň přesnosti je kritická pro vysoce přesné technologie, jako jsou atomové hodiny, které optimálně fungují při extrémně nízkých teplotách.
I když se v současnosti jedná pouze o prototyp – objemný a jeho sestavení vyžaduje měsíce – tým pracuje na vylepšení návrhu, zlepšení přesnosti detekce a jeho praktičtější pro aplikace v reálném světě. Dlouhodobým cílem je samokalibrační teplotní standard, který eliminuje závislost na externím ověření, zásadně předefinuje způsob měření tepla.
