Fizycy opracowują nowy sposób określania temperatury w oparciu o zasady mechaniki kwantowej, potencjalnie eliminując potrzebę stosowania tradycyjnych metod kalibracji opierających się na łańcuchu czujników posiadających certyfikaty komercyjne. Przełom, zaprezentowany podczas Światowego Szczytu Fizyki Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, obejmuje urządzenie wykorzystujące zachowanie ultrazimnych atomów rubidu do ustalenia absolutnego standardu dla skali Kelvina.
Problem z obecnymi standardami temperatury
Obecnie pomiary temperatury — czy to w stopniach Celsjusza, Fahrenheita, czy w standardzie fizycznym Kelvina — ostatecznie wywodzą się z kalibracji przeprowadzanych przez krajowe instytuty normalizacyjne, takie jak Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST). Proces ten, choć skuteczny, ma zasadniczo charakter pośredni. Każdy czujnik opiera się na kalibracji drugiego czujnika, tworząc zależność, która wprowadza potencjalny błąd. Zero Kelvina oznacza teoretyczną, absolutnie najniższą temperaturę, ale weryfikacja dokładności jednego Kelvina pozostaje wyzwaniem.
Jak działa urządzenie kwantowe
Nowe urządzenie rozwiązuje ten problem, bezpośrednio łącząc temperaturę z podstawową właściwością kwantową. Naukowcy wychwytują atomy rubidu i manipulują nimi za pomocą laserów i pól elektromagnetycznych, schładzając je do około 0,0000017 temperatury pokojowej (pół milikelwina). W tak ekstremalnych temperaturach najbardziej zewnętrzne elektrony stają się niezwykle wrażliwe na nawet najmniejsze wahania temperatury.
Pod wpływem ciepła elektrony „przeskakują” w różne stany kwantowe. Kluczową kwestią jest to, że przejścia te podlegają dobrze zdefiniowanym regułom matematycznym, co oznacza, że temperaturę można określić bezpośrednio na podstawie częstotliwości tych przejść elektronicznych.
„Każdy atom rubidu na świecie jest dokładnie taki sam i będą zachowywać się dokładnie tak samo w tych samych warunkach. Mógłbym odbudować urządzenie na drugim końcu świata i byłoby dokładnie takie samo” – mówi Noah Schlossberger z NIST, podkreślając potencjalną wszechstronność urządzenia.
Implikacje i dalszy rozwój
Międzynarodowe Biuro Miar i Wag już definiuje Kelvina w oparciu o stałe kwantowe. Jednak nawet NIST używa konwencjonalnych czujników do faktycznej kalibracji. To nowe urządzenie oferuje całkowicie kwantową metodę weryfikacji. Jego główną zaletą jest nieodłączna powtarzalność: ponieważ wszystkie atomy rubidu zachowują się identycznie w tych samych warunkach, urządzenie teoretycznie można powielić w dowolnym miejscu z identycznymi wynikami.
Ten poziom dokładności ma kluczowe znaczenie w przypadku technologii o wysokiej precyzji, takich jak zegary atomowe, które działają optymalnie w ultraniskich temperaturach.
Chociaż obecnie jest to tylko prototyp – nieporęczny i wymagający miesięcy montażu – zespół pracuje nad udoskonaleniem projektu, poprawą dokładności wykrywania i uczynieniem go bardziej praktycznym w rzeczywistych zastosowaniach. Celem długoterminowym jest samokalibrujący się standard temperatury, który eliminuje zależność od zewnętrznej weryfikacji, zasadniczo na nowo definiując sposób pomiaru ciepła.
