Uusi atomipohjainen lämpötilamittaus on tarkempi

National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijat ovat luoneet uuden lämpötila-anturin, jossa käytetään atomeja, jotka on lisätty niin korkealle energiatasolle, että ne ovat tuhat kertaa normaalia suurempia.

Seuraamalla, kuinka nämä jättimäiset "Rydberg"-atomit ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä lämmön kanssa, tutkijat voivat mitata lämpötilaa huomattavalla tarkkuudella.

Toisin kuin perinteiset lämpömittarit, Rydberg-lämpömittaria ei tarvitse ensin säätää tai kalibroida tehtaalla, koska se perustuu luonnostaan kvanttifysiikan perusperiaatteisiin. Nämä perustavanlaatuiset kvanttiperiaatteet tuottavat tarkat mittaukset, jotka ovat myös suoraan jäljitettävissä kansainvälisiin standardeihin.

"Olemme pohjimmiltaan luomassa lämpömittaria, joka voi antaa tarkat lämpötilalukemat ilman tavanomaisia kalibrointeja, joita nykyiset lämpömittarit vaativat", sanoi NIST-tutkija Noah Schlossberger.

Tutkimus on ensimmäinen onnistunut lämpötilamittaus Rydberg-atomeilla ja se mullistaa lämpötilan mittausta.

Lämpömittarinsa luomiseksi tutkijat täyttivät tyhjökammion rubidiumatomien kaasulla ja käyttivät lasereita ja magneettikenttiä niiden vangitsemiseen ja jäähdyttämiseen lähes absoluuttiseen nollaan, noin 0,5 millikelviniin. Tällöin atomit eivät käytännössä liikkuneet. Lasereilla he nostivat atomien uloimmat elektronit erittäin korkeille kiertoradoille, jolloin atomit olivat noin 1000 kertaa suurempia kuin tavalliset rubidiumatomit.

Rydberg-atomeissa uloin elektroni on kaukana atomin ytimestä, mikä tekee sen herkemmin reagoivaksi sähkökenttiin ja muihin vaikutuksiin. Mustan kappaleen säteily voi saada Rydberg-atomien elektronit hyppäämään vielä korkeammalle kiertoradalle. Siten tutkijat voivat mitata lämpötilaa seuraamalla näitä energiahyppyjä ajan myötä.

Tämä lähestymistapa mahdollisti pienimpienkin lämpötilan muutosten havaitsemisen. Vaikka on olemassa muitakin kvanttilämpömittareita, Rydberg-lämpömittarit voivat mitata ympäristönsä lämpötilan noin 0 - 100 celsiusastetta ilman, että tarvitsee koskea mitattavaan kohteeseen.

Tämä läpimurto ei ainoastaan avaa tietä uudelle lämpömittausluokalle, vaan se on erityisen tärkeä atomikelloille, koska mustan kappaleen säteily voi heikentää niiden tarkkuutta. Tarkkuustieteen lisäksi uudella lämpömittarilla voisi olla laaja-alaisia sovelluksia haastavissa ympäristöissä avaruusaluksista edistyneisiin tuotantolaitoksiin, joissa herkät lämpötilalukemat ovat välttämättömiä.

"Tämä menetelmä avaa oven maailmaan, jossa lämpötilamittaukset ovat yhtä luotettavia kuin luonnon perusvakiot", Holloway lisäsi. "Se on jännittävä askel eteenpäin kvanttianturitekniikassa."

Aiheesta aiemmin:

Kvanttitason lämpötilamittaukset solujen tasolle

Lämpötilakuvausta aineen sisältä