Стандартите на NIST вече не са необходими?

Учени откриха нов начин за измерване на температурата чрез използване на квантовите свойства на атомите. Физици от Националния институт за стандарти и технологии на САЩ (NIST) създадоха необичаен термометър, който не се нуждае от калибриране – за разлика от всички съществуващи подобни устройства. Методът се основава на факта, че специално подготвени атоми на Ридберг улавят топлинното излъчване от нагретите обекти. Поради факта, че електроните в тези атоми се намират в специално възбудено състояние, възможно е да се постигне изключителна точност: систематичната грешка на измерването е само една двехилядна част.

В днешно време както в лабораториите, така и в ежедневието температурата се измерва чрез сравняване на показанията с еталон. Ноа Шлосбергер от NIST обяснява, че дори съвременните температурни сензори, които откриват излъчването с помощта на фотодиоди, се нуждаят от калибриране. Обикновено това включва използването на специална повърхност с известна температура, която се измерва с контактен термометър. Самият термометър също трябва да бъде проверен – показанията му се сравняват с друго устройство. По този начин се създава цяла верига от сравнения, която в крайна сметка се връща към основния стандарт в NIST или друг метрологичен център. При всяко сравнение са възможни неточности.

Новият метод позволява директното измерване на излъчването на черното тяло на обекта – самото излъчване, чийто спектър определя по уникален начин температурата на тялото. Самите атоми действат като еталон. Този сензор не се нуждае от калибриране – според квантовата механика всички атоми от един и същи вид са с абсолютно еднакви свойства.

В експеримента физиците включват специална форма на материята – атомите на Ридберг. Когато електронните обвивки на тези частици преминат във възбудено състояние, размерът им значително се увеличава, а връзката с ядрото отслабва. Това ги прави необичайно чувствителни към външните фактори. Първоначално екипът е проучвал как да използва атомите на Ридберг за откриване на електромагнитни полета. Скоро обаче става ясно, че те са „изключително чувствителни и към излъчването на черното тяло“, според ръководителя на проекта Кристофър Холоуей.

В центъра на експерименталната инсталация лежи магнитооптичен капан – той се намира във вакуумна камера, пълна с чисти рубидиеви пари. На всеки 300 милисекунди учените зареждат нова партида рубидиеви атоми в капана и ги охлаждат до температура от около един миликелвин. След това, с помощта на лазери, частиците се прехвърлят от енергийно ниво 5S в състояние на Ридберг 32S.

На следващия етап от експеримента на частиците се дават около 100 микросекунди, за да погълнат излъчването на черното тяло от околните обекти. През това време част от материята в състояние 32S променя своите характеристики. След това изследователите създават силно електрическо поле, като постепенно увеличават силата му, което води до йонизация на материята.

Колкото по-високо е енергийното състояние на частицата, толкова по-бързо електрическото поле отнема електроните от нея. Затова електроните от различните частици не достигат до детектора по едно и също време. Според времето на пристигането им учените определят колко частици са били на всяко енергийно ниво. А от тези данни се изчислява температурата на изследвания обект.

Относителната систематична грешка на измерванията е 0,006 – при стайна температура е около 2 келвина. На пръв поглед точността отстъпва на търговските термометри, но е важно да се разбере: новият метод измерва абсолютната температура, а не относителната.

Разработената система може да се прилага при оптични часовници, при които термичният фонов шум влияе значително върху точността. Сега учените трябва да направят множество термометрични измервания, за да разберат как излъчването на черното тяло влияе на този вид часовник, без да го смущават.

Според Шлосбергер за прилагането на метода в оптичните часовници ще е необходим само един допълнителен лазер. Той ще създава състояния на Ридберг директно в механизма на хронометъра. Основното предимство е, че основният дизайн ще остане същият – новата система използва същото оборудване. Това ще позволи да се измерва излъчването точно там, където то влияе на точността на часовника.