راه اندازی آزمایشگاهی برای استفاده از اتم های غول پیکر “Rydberg” برای اندازه گیری دما. گوی قرمز درخشان ابری از تقریباً یک میلیون اتم روبیدیم را نشان میدهد که در تنظیم استفاده شده است.
اعتبار: N. Schlossberger/NIST
دانشمندان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) دماسنج جدیدی با استفاده از اتمهایی ایجاد کردهاند که تا سطح انرژی بالایی دارند که هزار برابر بزرگتر از حد معمول هستند. با نظارت بر نحوه تعامل این اتم های غول پیکر “Rydberg” با گرما در محیط خود، محققان می توانند دما را با دقت قابل توجهی اندازه گیری کنند. حساسیت دماسنج می تواند اندازه گیری دما را در زمینه های مختلف از تحقیقات کوانتومی تا تولید صنعتی بهبود بخشد.
برخلاف دماسنجهای سنتی، دماسنج Rydberg نیازی به تنظیم یا کالیبره شدن در کارخانه ندارد زیرا ذاتاً بر اصول اولیه فیزیک کوانتومی متکی است. این اصول کوانتومی بنیادی اندازهگیریهای دقیقی را به دست میدهند که مستقیماً با استانداردهای بینالمللی قابل ردیابی هستند.
نوح شلوسبرگر، محقق فوق دکتری NIST، گفت: «ما اساساً در حال ایجاد یک دماسنج هستیم که می تواند خوانش دقیق دما را بدون کالیبراسیون های معمولی که دماسنج های فعلی نیاز دارند، ارائه دهد.
انقلابی در اندازه گیری دما
این تحقیق، منتشر شده در تحقیق مرور فیزیکی، اولین اندازه گیری موفق دما با استفاده از اتم های Rydberg است. برای ایجاد این دماسنج، محققان پر شده است یک محفظه خلاء با گازی از اتمهای روبیدیم و از لیزرها و میدانهای مغناطیسی برای به دام انداختن و خنک کردن آنها تا نزدیک به صفر مطلق، حدود 0.5 میلیکلوین (هزارم درجه) استفاده میکرد. این بدان معناست که اتم ها اساساً حرکت نمی کردند. آنها سپس با استفاده از لیزر، بیرونیترین الکترونهای اتم را به مدارهای بسیار بالا رساندند و اتمها را تقریباً 1000 برابر بزرگتر از اتمهای روبیدیم معمولی کردند.
در اتمهای ریدبرگ، بیرونیترین الکترون از هسته اتم دورتر است و به میدانهای الکتریکی و سایر تأثیرات واکنش بیشتری نشان میدهد. این شامل تشعشعات جسم سیاه، گرمای ساطع شده از اجسام اطراف است. تابش جسم سیاه می تواند باعث شود که الکترون های موجود در اتم های ریدبرگ به مدارهای بالاتری بپرند. افزایش دما باعث افزایش تابش جسم سیاه محیط می شود و نرخ این فرآیند بنابراین، محققان می توانند با ردیابی این جهش های انرژی در طول زمان، دما را اندازه گیری کنند.
اعتبار:
R. Jacobson/NIST
این روش تشخیص حتی جزئی ترین تغییرات دما را ممکن می سازد. در حالی که انواع دیگری از دماسنج های کوانتومی وجود دارد، دماسنج های Rydberg می توانند دمای محیط خود را از حدود 0 تا 100 درجه سانتیگراد بدون نیاز به لمس جسم مورد اندازه گیری اندازه گیری کنند.
این پیشرفت نه تنها راه را برای کلاس جدیدی از دماسنج ها هموار می کند، بلکه برای ساعت های اتمی بسیار مهم است، زیرا تشعشعات جسم سیاه می تواند دقت آنها را کاهش دهد.
کریس هالووی، دانشمند تحقیقاتی NIST، گفت: ساعتهای اتمی به طور استثنایی به تغییرات دما حساس هستند که میتواند باعث خطاهای کوچک در اندازهگیریهای آنها شود. ما امیدواریم که این فناوری جدید بتواند به دقیقتر کردن ساعتهای اتمی ما کمک کند.»
فراتر از علم دقیق، دماسنج جدید می تواند کاربردهای گسترده ای در محیط های چالش برانگیز از فضاپیماها تا کارخانه های تولید پیشرفته داشته باشد، جایی که خوانش دما حساس ضروری است.
با این پیشرفت، NIST همچنان مرزهای علم و فناوری را پیش میبرد.
هالووی افزود: “این روش دری را به روی جهانی باز می کند که اندازه گیری دما به اندازه ثابت های اساسی طبیعت قابل اعتماد است.” “این یک گام هیجان انگیز به جلو برای فناوری سنجش کوانتومی است.”
مقاله: نوح شلوسبرگر و همکاران. دماسنج کوانتومی اولیه تابش جسم سیاه موج میلی متری از طریق انتقال حالت القایی در حالت های ریدبرگ اتم های سرد. تحقیق مرور فیزیکی. منتشر شده آنلاین در 23 ژانویه 2025. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.L012020
Source link