Учёные нашли способ измерять температуру, используя квантовые свойства атомов. Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) создали необычный термометр, который не нужно калибровать – в отличие от всех существующих приборов. Метод основан на том, что специально подготовленные атомы Ридберга улавливают тепловое излучение от нагретых предметов. Благодаря тому, что электроны в этих атомах находятся в особом возбуждённом состоянии, удаётся достичь исключительной точности: систематическая погрешность измерений составляет всего одну двухтысячную.
Сейчас и в лабораториях, и в повседневной жизни температуру измеряют, сравнивая показания с эталоном. Ной Шлоссбергер из NIST объясняет, что даже современным датчикам температуры, которые регистрируют излучение с помощью фотодиодов, нужна калибровка. Обычно для этого используют специальную поверхность с известной температурой, которую измеряет контактный термометр. Сам этот термометр тоже требует проверки – его показания сверяют с другим прибором. Так выстраивается целая цепочка сравнений, которая в конечном итоге восходит к первичному эталону в NIST или другом метрологическом центре. При каждом сравнении возможны неточности.
Новый метод позволяет напрямую измерять чёрнотельное излучение объекта – то самое излучение, спектр которого однозначно определяет температуру тела. В качестве эталона выступают сами атомы. Такому датчику не нужна калибровка – согласно квантовой механике, все атомы одного типа совершенно одинаковы по свойствам.
В эксперименте физики задействовали особую форму материи – атомы Ридберга. Когда электронные оболочки этих частиц переходят в возбуждённое состояние, их размер значительно увеличивается, а связь с ядром ослабевает. Это делает их необычайно восприимчивыми к внешним факторам. Поначалу группа исследовала, как использовать атомы Ридберга для обнаружения электромагнитных полей. Однако вскоре, по словам руководителя проекта Кристофера Холлоуэя, выяснилось, что они также “исключительно чувствительны к чёрнотельному излучению”.
В центре экспериментальной установки находится магнитооптическая ловушка – она расположена внутри вакуумной камеры, заполненной чистыми парами рубидия. Каждые 300 миллисекунд учёные загружают в ловушку новую порцию атомов рубидия и охлаждают их до температуры около одного милликельвина. Затем с помощью лазеров частицы переводят с энергетического уровня 5S в состояние Ридберга 32S.
На следующем этапе эксперимента частицам дают около 100 микросекунд на поглощение чёрнотельного излучения от окружающих предметов. За это время часть материи в состоянии 32S меняет свои характеристики. Затем исследователи создают сильное электрическое поле, постепенно увеличивая его напряжённость, что приводит к ионизации вещества.
Чем выше энергетическое состояние частицы, тем быстрее электрическое поле отрывает от неё электроны. Поэтому электроны от разных частиц прилетают к детектору не одновременно. По времени их прилёта учёные определяют, сколько частиц находилось на каждом энергетическом уровне. А уже из этих данных вычисляется температура исследуемого объекта.
Относительная систематическая погрешность измерений составила 0.006 – при комнатной температуре это примерно 2 кельвина. На первый взгляд точность уступает коммерческим термометрам, но важно понимать: новый метод измеряет абсолютную температуру, а не относительную.
Разработанную систему можно применить в оптических часах, где тепловой фоновый шум сильно влияет на точность. Сейчас учёным приходится проводить множество термометрических измерений, чтобы понять, как чёрнотельное излучение воздействует на часы, и при этом не нарушить их работу.
По словам Шлоссбергера, для внедрения метода в оптическую хронометрию понадобится всего один дополнительный лазер. Он будет создавать состояния Ридберга непосредственно в механизме хронометра. Главное преимущество в том, что базовая конструкция останется прежней – новая система использует то же оборудование. Это позволит измерять излучение именно там, где оно влияет на точность часов.