Natuurkundigen ontwikkelen een nieuwe manier om temperatuur te definiëren met behulp van de principes van de kwantummechanica, waardoor mogelijk de noodzaak wordt geëlimineerd van traditionele kalibratiemethoden die afhankelijk zijn van een keten van commercieel gecertificeerde sensoren. De doorbraak, gepresenteerd op de American Physical Society Global Physics Summit, betreft een apparaat dat gebruik maakt van het gedrag van ultragekoelde rubidiumatomen om een absolute standaard voor de Kelvin-schaal vast te stellen.
Het probleem met de huidige temperatuurnormen
Momenteel zijn temperatuurmetingen (of het nu in Celsius, Fahrenheit of de standaard Kelvin van de natuurkundige is) uiteindelijk terug te voeren op kalibraties die zijn uitgevoerd door nationale standaardisatie-instellingen zoals het National Institute of Standards and Technology (NIST). Dit proces is weliswaar effectief, maar inherent indirect. Elke sensor is afhankelijk van de kalibratie van een andere sensor, waardoor een afhankelijkheid ontstaat die potentiële fouten met zich meebrengt. Nul Kelvin vertegenwoordigt de theoretisch absoluut koudste temperatuur, maar het verifiëren van de nauwkeurigheid van één Kelvin blijft een complexe taak.
Hoe het Quantum-apparaat werkt
Het nieuwe apparaat omzeilt dit probleem door temperatuur rechtstreeks te koppelen aan een fundamentele kwantumeigenschap. Onderzoekers vangen rubidiumatomen op en manipuleren ze met lasers en elektromagnetische velden, waarbij ze worden gekoeld tot ongeveer 0,0000017 kamertemperatuur (een halve millikelvin). Bij deze extreme kou worden de buitenste elektronen ongelooflijk gevoelig voor zelfs minieme temperatuurschommelingen.
Bij blootstelling aan hitte ‘springen’ deze elektronen in verschillende kwantumtoestanden. De sleutel is dat deze sprongen goed gedefinieerde wiskundige regels volgen, wat betekent dat de temperatuur direct kan worden bepaald op basis van de frequentie van deze elektronenovergangen.
“Elk rubidiumatoom in de wereld is precies hetzelfde, en ze zullen zich op precies dezelfde manier gedragen in dezelfde omgeving. Ik kan het apparaat aan de andere kant van de wereld opnieuw opbouwen, en het zal precies hetzelfde zijn”, zegt Noah Schlossberger van NIST, waarmee hij het potentieel van het apparaat voor universaliteit benadrukt.
Implicaties en toekomstige ontwikkeling
Het International Bureau of Weights and Measures definieert de Kelvin al op basis van kwantumconstanten. Maar zelfs NIST gebruikt conventionele sensoren voor daadwerkelijke kalibratie. Dit nieuwe apparaat biedt een volledig op kwantum gebaseerde verificatiemethode. Het grootste voordeel is de inherente reproduceerbaarheid: aangezien alle rubidiumatomen zich onder dezelfde omstandigheden identiek gedragen, zou het apparaat in theorie overal kunnen worden gerepliceerd met identieke resultaten.
Dit precisieniveau is cruciaal voor uiterst nauwkeurige technologie zoals atoomklokken, die optimaal werken bij ultralage temperaturen.
Hoewel het nog steeds een prototype is (momenteel omvangrijk en het duurt maanden om het te bouwen), werkt het team eraan om het ontwerp te verfijnen, de detectienauwkeurigheid te verbeteren en het praktischer te maken voor toepassingen in de echte wereld. Het doel op lange termijn is een zelfkalibrerende temperatuurstandaard die de afhankelijkheid van externe verificatie elimineert, waardoor de manier waarop we warmte meten fundamenteel opnieuw wordt gedefinieerd.
