Термометър, направен от атоми: физиците се научиха да измерват температурата без калибриране
Стандартите на NIST към този момент не са нужни?
Учени откриха нов метод за премерване на температурата посредством потребление на квантовите свойства на атомите. Физици от Националния институт за стандарти и технологии на Съединени американски щати (NIST) сътвориха необикновен термометър, който не се нуждае от калибриране – за разлика от всички съществуващи сходни устройства. Методът се основава на обстоятелството, че особено готови атоми на Ридберг улавят топлинното лъчение от нагретите обекти. Поради обстоятелството, че електроните в тези атоми се намират в особено възбудено положение, допустимо е да се реализира изключителна акуратност: систематичната неточност на измерването е единствено една двехилядна част.
В днешно време както в лабораториите, по този начин и в всекидневието температурата се мери посредством сравняване на показанията с пример. Ноа Шлосбергер от NIST изяснява, че даже актуалните температурни датчици, които откриват излъчването благодарение на фотодиоди, се нуждаят от калибриране. Обикновено това включва потреблението на специфична повърхнина с известна температура, която се мери с контактен термометър. Самият термометър също би трябвало да бъде тестван – показанията му се съпоставят с друго устройство. По този метод се основава цяла верига от съпоставения, която в последна сметка се връща към главния стандарт в NIST или различен метрологичен център. При всяко съпоставяне са вероятни грешки.
Новият способ разрешава директното премерване на излъчването на черното тяло на обекта – самото лъчение, чийто набор дефинира по неповторим метод температурата на тялото. Самите атоми работят като пример. Този датчик не се нуждае от калибриране – съгласно квантовата механика всички атоми от един и същи тип са с безусловно идентични свойства.
В опита физиците включват специфична форма на материята – атомите на Ридберг. Когато електронните обвивки на тези частици преминат във възбудено положение, размерът им доста се усилва, а връзката с ядрото отслабва. Това ги прави извънредно чувствителни към външните фактори. Първоначално екипът е проучвал по какъв начин да употребява атомите на Ридберг за разкриване на електромагнитни полета. Скоро обаче излиза наяве, че те са „ извънредно чувствителни и към излъчването на черното тяло “, съгласно ръководителя на плана Кристофър Холоуей.
В центъра на пробната апаратура лежи магнитооптичен капан – той се намира във вакуумна камера, цялостна с чисти рубидиеви пари. На всеки 300 милисекунди учените зареждат нова партида рубидиеви атоми в клопката и ги охлаждат до температура от към един миликелвин. След това, благодарение на лазери, частиците се трансферират от енергийно равнище 5S в положение на Ридберг 32S.
На идващия стадий от опита на частиците се дават към 100 микросекунди, с цел да обхванат излъчването на черното тяло от близките обекти. През това време част от материята в положение 32S трансформира своите характерности. След това откривателите основават мощно електрическо поле, като последователно усилват силата му, което води до йонизация на материята.
Колкото по-високо е енергийното положение на частицата, толкоз по-бързо електрическото поле лишава електроните от нея. Затова електроните от другите частици не доближават до детектора едновременно. Според времето на идването им учените дефинират какъв брой частици са били на всяко енергийно равнище. А от тези данни се пресмята температурата на проучвания обект.
Относителната систематична неточност на измерванията е 0,006 – при стайна температура е към 2 келвина. На пръв взор точността отстъпва на комерсиалните термометри, само че е значимо да се разбере: новият способ мери безспорната температура, а не относителната.
Разработената система може да се ползва при оптични часовници, при които термичният фонов звук въздейства доста върху точността. Сега учените би трябвало да създадат голям брой термометрични измервания, с цел да схванат по какъв начин излъчването на черното тяло въздейства на този тип часовник, без да го смущават.
Според Шлосбергер за използването на метода в оптичните часовници ще е нужен единствено един спомагателен лазер. Той ще основава положения на Ридберг непосредствено в механизма на хронометъра. Основното преимущество е, че главният дизайн ще остане същият – новата система употребява същото съоръжение. Това ще разреши да се мери излъчването тъкмо там, където то въздейства на точността на часовника.
