Градусник из атомов: физики научились измерять температуру без калибровки
NewsMakerЭталоны NIST больше не нужны?
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.

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.