Физики разрабатывают новый способ определения температуры, основанный на принципах квантовой механики, что потенциально устраняет необходимость в традиционных методах калибровки, полагающихся на цепочку коммерчески сертифицированных датчиков. Прорыв, представленный на Глобальном физическом саммите Американского физического общества, включает в себя устройство, использующее поведение сверххолодных атомов рубидия для установления абсолютного стандарта для шкалы Кельвина.
Проблема с текущими стандартами температуры
В настоящее время измерения температуры — будь то в градусах Цельсия, Фаренгейта или в физическом стандарте Кельвина — в конечном итоге прослеживаются до калибровок, выполняемых национальными институтами стандартов, таких как Национальный институт стандартов и технологий (NIST). Этот процесс, хотя и эффективен, по сути, является косвенным. Каждый датчик полагается на калибровку другого датчика, создавая зависимость, которая вносит потенциальную ошибку. Ноль Кельвина представляет собой теоретическую абсолютную самую холодную температуру, но проверка точности одного Кельвина остается сложной задачей.
Как работает квантовое устройство
Новое устройство обходит эту проблему, напрямую связывая температуру с фундаментальным квантовым свойством. Исследователи захватывают атомы рубидия и манипулируют ими с помощью лазеров и электромагнитных полей, охлаждая их примерно до 0,0000017 комнатной температуры (половина милликельвина). При такой экстремальной температуре самые внешние электроны становятся невероятно чувствительными даже к малейшим колебаниям температуры.
При воздействии тепла эти электроны «перескакивают» в разные квантовые состояния. Ключевой момент заключается в том, что эти переходы следуют четко определенным математическим правилам, что означает, что температуру можно определить непосредственно по частоте этих электронных переходов.
«Каждый атом рубидия в мире абсолютно одинаков, и они будут вести себя абсолютно одинаково в одинаковых условиях. Я могу перестроить устройство на другом конце света, и оно будет точно таким же», — говорит Ноа Шлоссбергер из NIST, подчеркивая потенциальную универсальность устройства.
Последствия и дальнейшая разработка
Международное бюро мер и весов уже определяет Кельвин на основе квантовых констант. Однако даже NIST использует обычные датчики для фактической калибровки. Это новое устройство предлагает полностью квантово-основанный метод проверки. Его главное преимущество — присущая воспроизводимость: поскольку все атомы рубидия ведут себя идентично в одинаковых условиях, устройство, теоретически, можно воспроизвести в любом месте с идентичными результатами.
Такой уровень точности имеет решающее значение для высокоточных технологий, таких как атомные часы, которые оптимально работают при сверхнизких температурах.
Хотя в настоящее время это всего лишь прототип — громоздкий и требующий месяцев для сборки — команда работает над усовершенствованием конструкции, повышением точности обнаружения и повышением ее практичности для реальных приложений. Долгосрочная цель — самокалибрующийся стандарт температуры, который устраняет зависимость от внешней проверки, фундаментально переопределяя то, как мы измеряем тепло.
