Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ein neues Thermometer mit Atomen geschaffen, die auf so hohe Energieniveaus gesteigert wurden, dass sie tausendmal größer sind als normal. Durch die Überwachung, wie diese riesigen „Rydberg“ -Atome in ihrer Umgebung mit Wärme interagieren, können Forscher die Temperatur mit bemerkenswerter Genauigkeit messen. Die Empfindlichkeit des Thermometers könnte die Temperaturmessungen in Feldern verbessern, die von der Quantenforschung bis zur industriellen Herstellung reichen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Thermometern muss ein Rydberg -Thermometer in der Fabrik nicht zuerst eingestellt oder kalibriert werden, da es von Natur aus auf die Grundprinzipien der Quantenphysik abhängt. Diese grundlegenden Quantenprinzipien ergeben präzise Messungen, die auch direkt auf internationale Standards zurückverfolgt werden können.
„Wir erstellen im Wesentlichen ein Thermometer, das genaue Temperaturwerte ohne die üblichen Kalibrierungen liefern kann, die derzeitige Thermometer benötigen“, sagte Noah Schlossberger, Postdoktorand der NIST.
Temperaturmessung revolutionieren
Die Forschung, veröffentlicht in Forschung zur physischen Überprüfungist die erste erfolgreiche Temperaturmessung unter Verwendung von Rydberg -Atomen. Um dieses Thermometer zu erzeugen, füllten Forscher eine Vakuumkammer mit einem Gas von Rubidiumatomen und verwendeten Laser und Magnetfelder, um sie auf nahezu absolute Null zu fangen und zu kühlen, etwa 0,5 Millikelvin (Tausendstel). Dies bedeutet, dass sich die Atome im Wesentlichen nicht bewegten. Mit Lasern erhöhten sie die äußersten Elektronen der Atome auf sehr hohe Umlaufbahnen, wodurch die Atome ungefähr das 1.000 -mal größere Rubidiumatome größer wurden.
In Rydberg -Atomen ist das äußerste Elektron weit vom Kern des Atoms entfernt, was es stärker auf elektrische Felder und andere Einflüsse reagiert. Dies schließt Blackbody -Strahlung, die von den umliegenden Objekten ausgestrahlte Wärme ein. Schwarzkörperstrahlung kann dazu führen, dass Elektronen in Rydberg -Atomen zu noch höheren Umlaufbahnen springen. Steigende Temperaturen erhöhen die Menge an Umgebungsschwarzkörperstrahlung und die Rate dieses Prozesses. Somit können Forscher die Temperatur messen, indem sie diese Energiesprung im Laufe der Zeit verfolgen.
Dieser Ansatz ermöglichte die Erkennung selbst der geringsten Temperaturänderungen. Während es andere Arten von Quantenthermometern gibt, können Rydberg -Thermometer die Temperatur ihrer Umgebung von etwa 0 bis 100 Grad Celsius messen, ohne das gemessene Objekt zu berühren.
Dieser Durchbruch ebnet nicht nur den Weg für eine neue Klasse von Thermometern, sondern ist für Atomuhren besonders wichtig, da die Schwarzkörperstrahlung ihre Genauigkeit verringern kann.
„Atomuhren sind außergewöhnlich empfindlich auf Temperaturänderungen, was zu kleinen Fehlern in ihren Messungen führen kann“, sagte der Forschungswissenschaftler von NIST, Chris Holloway,. „Wir sind zuversichtlich, dass diese neue Technologie dazu beitragen könnte, unsere Atomuhren noch genauer zu gestalten.“
Über die Präzisionswissenschaft hinaus könnte das neue Thermometer weitreichende Anwendungen in herausfordernden Umgebungen von Raumfahrzeugen bis hin zu fortgeschrittenen Produktionsanlagen haben, in denen empfindliche Temperaturmesswerte unerlässlich sind.
Mit dieser Entwicklung überschreitet NIST weiterhin die Grenzen von Wissenschaft und Technologie.
„Diese Methode öffnet eine Tür zu einer Welt, in der Temperaturmessungen so zuverlässig sind wie die grundlegenden Naturkonstanten“, fügte Holloway hinzu. „Es ist ein aufregender Fortschritt für die Quantenerfassungstechnologie.“
