Lepsza, bardziej niezawodna definicja temperatury mogłaby pochodzić z kwantowego urządzenia pełnego gigantycznych atomów.
Podczas gdy niektóre kraje mierzą temperatury w stopniach Celsjusza, a inne używają stopni Fahrenheita, fizycy wszędzie korzystają z jednostki o nazwie kelwin. Zero kelwina oznacza absolutnie najniższą temperaturę dozwoloną przez znane prawa fizyki, dlatego kelwin mierzone jest jako „temperatura bezwzględna”. W praktyce jednak pewność, że gdy mierzysz jeden kelwin, jest to naprawdę jeden kelwin, wymaga żmudnego procesu.
„Noah Schlossberger z NIST w Kolorado kupił skalibrowany czujnik temperatury, który był kalibrowany przez inny skomercjalizowany czujnik temperatury, a ten z kolei był kalibrowany przez inny skomercjalizowany czujnik temperatury, i tak dalej. Przy czym jeden z tych czujników był w pewnym momencie wysłany do Narodowego Instytutu Norm i Technologii” – mówi.
On i jego koledzy zbudowali teraz urządzenie, które wykorzystuje efekty kwantowe do pomiaru kelwinów, zamiast zlecenia kalibracji czujników innym instytucjom. Urządzenie to jest małą skrzynką z metalu i szkła, zawierającą uwięzione atomy rubidu. Naukowcy poszerzają te atomy do ekstremalnych rozmiarów, używając laserów do oddalenia zewnętrznych elektronów niezwykle daleko od jądra oraz do osiągnięcia ekstremalnej temperatury, korzystając zarówno z laserów, jak i pól elektromagnetycznych do schłodzenia atomów do około pół milikelwin, czyli temperatury około 600 000 razy niższej niż temperatura pokojowa.
W rezultacie zewnętrzne elektrony w atomach rubidu stają się bardzo wrażliwe na nawet niewielki wzrost temperatury i „przeskakują” do innego stanu kwantowego podczas ekspozycji na temperaturę. To właśnie te skoki sprawiają, że urządzenie staje się doskonałym czujnikiem temperatury, ponieważ istnieją dobrze ustanowione modele matematyczne, które mogą określić różnice temperatury potrzebne do ich wywołania – umożliwiając efektywnie zdefiniowanie kelwinów w tych terminach.
Biuro Międzynarodowych Wzorców i Miar definiuje kelwiny w podobny sposób – jako produkt kilku stałych kwantowych – ale w praktyce nawet instytucje takie jak NIST korzystają z urządzeń niekwantowych do kalibracji. Miejmy nadzieję, że nowe urządzenie zapewni kwantową definicję kelwinów, gdzie nie będzie potrzebna kalibracja.
„Każdy atom rubidu na świecie jest dokładnie taki sam i zachowa się dokładnie tak samo w tym samym otoczeniu. Mogę odtworzyć to urządzenie po drugiej stronie świata, i będzie dokładnie takie samo” – mówi Schlossberger. Dodaje, że jest to szczególnie istotne dla zachowania poprawnego funkcjonowania urządzeń o wysokiej precyzji, takich jak zegary atomowe, które mogą działać tylko przy bardzo niskich temperaturach kelwinowych.
Jednak nowe urządzenie jest nadal prototypem i ma pewne niedoskonałości w detekcji stanów kwantowych, na przykład. Jest także zbyt duże, by opuścić laboratorium, i zajęło ponad sześć miesięcy na jego zbudowanie. Naukowcy pracują teraz nad optymalizacją jego projektu, aby uczynić go bardziej praktycznym i zwiększyć jego dokładność.
Schlossberger przedstawił swoje prace 16 marca na Globalnym Szczycie Fizycznym Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Kolorado.
