Фізики розробляють новий спосіб визначення температури, заснований на принципах квантової механіки, що потенційно усуває необхідність традиційних методів калібрування, що покладаються на ланцюжок комерційно сертифікованих датчиків. Прорив, представлений на Глобальному фізичному саміті Американського фізичного товариства, включає пристрій, що використовує поведінку надхолодних атомів рубідія для встановлення абсолютного стандарту для шкали Кельвіна.
Проблема з поточними стандартами температури
В даний час вимірювання температури – чи то в градусах Цельсія, Фаренгейта, чи у фізичному стандарті Кельвіна – зрештою простежуються до калібрування, що виконуються національними інститутами стандартів, таких як Національний інститут стандартів і технологій (NIST). Цей процес, хоч і ефективний, по суті є непрямим. Кожен датчик покладається на калібрування іншого датчика, створюючи залежність, яка вносить потенційну помилку. Ніль Кельвіна є теоретичною абсолютною найхолоднішою температурою, але перевірка точності одного Кельвіна залишається складним завданням.
Як працює квантовий пристрій
Новий пристрій обходить цю проблему, безпосередньо пов’язуючи температуру з фундаментальною квантовою властивістю. Дослідники захоплюють атоми рубідії та маніпулюють ними за допомогою лазерів та електромагнітних полів, охолоджуючи їх приблизно до 0,0000017 кімнатної температури (половина мілікельвіну). При такій екстремальній температурі зовнішні електрони стають неймовірно чутливими навіть до найменших коливань температури.
При дії тепла ці електрони “перескакують” у різні квантові стани. Ключовий момент полягає в тому, що ці переходи слідують чітко визначеним математичним правилам, що означає, що температуру можна визначити безпосередньо за частотою цих електронних переходів.
“Кожен атом рубідії у світі абсолютно однаковий, і вони будуть поводитися абсолютно однаково в однакових умовах. Я можу перебудувати пристрій на іншому кінці світу, і він буде таким самим”, – говорить Ноа Шлоссбергер з NIST, підкреслюючи потенційну універсальність пристрою.
Наслідки та подальша розробка
Міжнародне бюро заходів і терезів вже “визначає” Кельвін на основі квантових констант. Однак навіть NIST використовує звичайні датчики для фактичного калібрування. Цей новий пристрій пропонує повністю квантово-заснований метод перевірки. Його головна перевага – властива відтворюваність: оскільки всі атоми рубідії поводяться ідентично в однакових умовах, пристрій, теоретично, можна відтворити будь-де з ідентичними результатами.
Такий рівень точності має вирішальне значення для високоточних технологій, таких як атомний годинник, який оптимально працює при наднизьких температурах.
Хоча в даний час це лише прототип — громіздкий і вимагає місяців для складання — команда працює над удосконаленням конструкції, підвищенням точності виявлення та підвищенням її практичності для реальних додатків. Довгострокова мета — стандарт температури, що самокалібрується, який усуває залежність від зовнішньої перевірки, фундаментально перевизначаючи те, як ми вимірюємо тепло.
