Νέο ατομικό θερμόμετρο προσφέρει τη μεγαλύτερη ακρίβεια μέτρησης θερμοκρασίας μέχρι σήμερα

Επιστήμονες του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) των ΗΠΑ δημιούργησαν ένα νέο θερμόμετρο χρησιμοποιώντας άτομα που έχουν ενισχυθεί σε τόσο υψηλά ενεργειακά επίπεδα ώστε να είναι χίλιες φορές μεγαλύτερα από το κανονικό.

Παρακολουθώντας τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα γιγαντιαία άτομα «Rydberg» αλληλεπιδρούν με τη θερμότητα στο περιβάλλον τους, οι ερευνητές μπορούν να μετρήσουν τη θερμοκρασία με αξιοσημείωτη ακρίβεια. Η ευαισθησία του θερμομέτρου θα μπορούσε να βελτιώσει τις μετρήσεις της θερμοκρασίας σε τομείς που κυμαίνονται από την κβαντική έρευνα έως τη βιομηχανική παραγωγή.

Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά θερμόμετρα, ένα θερμόμετρο Rydberg δεν χρειάζεται να ρυθμιστεί ή να βαθμονομηθεί πρώτα στο εργοστάσιο, επειδή βασίζεται εγγενώς στις αρχές της κβαντικής φυσικής. Αυτές οι θεμελιώδεις κβαντικές αρχές αποδίδουν ακριβείς μετρήσεις που είναι επίσης άμεσα μετρήσιμες σε διεθνή πρότυπα.

«Ουσιαστικά δημιουργούμε ένα θερμόμετρο που μπορεί να παρέχει ακριβείς μετρήσεις θερμοκρασίας χωρίς τις συνήθεις βαθμονομήσεις που απαιτούν τα τρέχοντα θερμόμετρα», δήλωσε ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του NIST, Noah Schlossberger.

Για να δημιουργήσουν αυτό το θερμόμετρο, οι ερευνητές γέμισαν έναν θάλαμο κενού με ένα αέριο ατόμων ρουβιδίου και χρησιμοποίησαν laser και μαγνητικά πεδία για να τα παγιδεύσουν και να τα ψύξουν σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, περίπου στα 0,5 millikelvin (χιλιοστά του βαθμού). Αυτό σημαίνει ότι τα άτομα ουσιαστικά δεν κινούνταν. Χρησιμοποιώντας laser, στη συνέχεια διέγειραν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων σε πολύ υψηλές τροχιές, καθιστώντας τα άτομα περίπου 1.000 φορές μεγαλύτερα από τα συνηθισμένα άτομα ρουβιδίου.

Στα άτομα Rydberg, το εξώτατο ηλεκτρόνιο βρίσκεται πολύ μακριά από τον πυρήνα του ατόμου, καθιστώντας το πιο ευαίσθητο στα ηλεκτρικά πεδία και άλλες επιδράσεις. Αυτό περιλαμβάνει την ακτινοβολία μέλανος σώματος, τη θερμότητα που εκπέμπεται από τα γύρω αντικείμενα. Η ακτινοβολία μελανών σωμάτων μπορεί να κάνει τα ηλεκτρόνια στα άτομα Rydberg να μεταπηδήσουν σε ακόμη υψηλότερες ενεργειακές τροχιές. Η άνοδος της θερμοκρασίας αυξάνει την ποσότητα της ακτινοβολίας μέλανος σώματος του περιβάλλοντος και τον ρυθμό αυτής της διαδικασίας. Έτσι, οι ερευνητές μπορούν να μετρήσουν τη θερμοκρασία παρακολουθώντας αυτά τα ενεργειακά άλματα με την πάροδο του χρόνου.

Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε την ανίχνευση ακόμη και των πιο μικρών μεταβολών της θερμοκρασίας. Αν και υπάρχουν και άλλοι τύποι κβαντικών θερμομέτρων, τα θερμόμετρα Rydberg μπορούν να μετρήσουν τη θερμοκρασία του περιβάλλοντός τους από περίπου 0 έως 100 βαθμούς Κελσίου χωρίς να χρειάζεται καν να αγγίξουν το αντικείμενο που μετράται.

Αυτή η εξέλιξη όχι μόνο ανοίγει το δρόμο για μια νέα κατηγορία θερμομέτρων, αλλά είναι ιδιαίτερα σημαντική για τα ατομικά ρολόγια, επειδή η ακτινοβολία μέλανος σώματος μπορεί να μειώσει την ακρίβειά τους.

«Τα ατομικά ρολόγια είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις μεταβολές της θερμοκρασίας, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν μικρά σφάλματα στις μετρήσεις τους», δήλωσε ο ερευνητής του NIST, Chris Holloway. «Ελπίζουμε ότι αυτή η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να βοηθήσει να γίνουν τα ατομικά μας ρολόγια ακόμη πιο ακριβή».

Πέρα από την επιστήμη ακριβείας, το νέο θερμόμετρο θα μπορούσε να έχει ευρείες εφαρμογές σε απαιτητικά περιβάλλοντα, από διαστημικά σκάφη έως προηγμένα εργοστάσια παραγωγής, όπου οι ευαίσθητες μετρήσεις της θερμοκρασίας είναι απαραίτητες.

[via]