В Национальном институте стандартов и технологий (NIST) совершен прорыв в области точных измерений. Ученые разработали принципиально новый квантовый термометр, использующий гигантские атомы Ридберга. Это устройство не требует калибровки и открывает беспрецедентные возможности для научных исследований, промышленного производства и, в частности, для повышения точности атомных часов.
В основе новой технологии лежат так называемые атомы Ридберга. Эти атомы, получившие свое название в честь шведского физика Иоганна Ридберга, представляют собой атомы, электроны которых переведены на очень высокие энергетические уровни. В результате атомы Ридберга становятся в тысячу раз больше обычных атомов, приобретая уникальные свойства, включая высокую чувствительность к внешним воздействиям, таким как тепловое излучение.
Принцип работы нового термометра заключается в отслеживании взаимодействия атомов Ридберга с тепловым излучением окружающей среды, также известным как чернотельное излучение. Измерение температуры происходит бесконтактно, путем мониторинга того, как тепло воздействует на атомы. В отличие от традиционных термометров, новое устройство не нуждается в заводской калибровке, поскольку его точность основана на фундаментальных принципах квантовой физики и прослеживается до международных стандартов.
Новый ридберговский термометр обладает рядом значительных преимуществ. Он обеспечивает исключительную точность измерений, позволяя фиксировать даже самые незначительные колебания температуры. Диапазон измерений охватывает температуры от 0 до 100 градусов Цельсия, что делает его универсальным инструментом для различных применений. Бесконтактный принцип действия позволяет измерять температуру объектов, не нарушая их состояния и не внося искажений в измерения.
Особую значимость разработка имеет для атомных часов, точность которых критически важна для многих современных технологий, включая системы навигации и телекоммуникации. Чернотельное излучение окружающей среды влияет на точность атомных часов, и новый термометр, как предполагается, позволит минимизировать это влияние, существенно повысив стабильность и надежность этих устройств.
Помимо атомных часов, квантовый термометр на атомах Ридберга найдет применение в широком спектре областей. В квантовых исследованиях, где точное поддержание и измерение температуры является ключевым фактором, новый термометр обеспечит необходимый уровень контроля. В промышленном производстве, где требуется высокоточный мониторинг температуры для контроля качества и оптимизации процессов, новое устройство станет незаменимым инструментом. Возможно применение термометра и в экстремальных условиях, например, на космических аппаратах, где важны надежные и точные измерения в условиях вакуума и радиации.
Разработчиками нового квантового термометра являются Ноа Шлоссбергер, постдокторант NIST, и Крис Холлоуэй, научный сотрудник NIST. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Research в 2025 году, под названием "Primary quantum thermometry of mm-wave blackbody radiation via induced state transfer in Rydberg states of cold atoms" (DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.L012020), представляет собой важный шаг вперед в развитии квантовых сенсорных технологий.
В эксперименте ученые использовали газ из атомов рубидия. Эти атомы были захвачены и охлаждены почти до абсолютного нуля, достигнув температуры около 0.5 милликельвина (тысячных долей градуса). Затем, с помощью лазеров, внешние электроны атомов рубидия были переведены на очень высокие орбиты, формируя атомы Ридберга. Чувствительные к чернотельному излучению, атомы Ридберга реагировали на тепло, испускаемое окружающими объектами.
Чернотельное излучение вызывало переходы электронов в атомах Ридберга на еще более высокие энергетические уровни. Отслеживая скорость этих энергетических переходов с течением времени, исследователи смогли измерить температуру. Чем выше температура, тем интенсивнее чернотельное излучение и, соответственно, выше скорость энергетических переходов в атомах Ридберга.
Новый квантовый термометр, основанный на принципах квантовой механики и использующий уникальные свойства атомов Ридберга, открывает новую эру в точных измерениях температуры. Стремясь к тому, чтобы измерения температуры стали столь же надежными, как фундаментальные константы природы, эта разработка знаменует собой революционный шаг в области метрологии и квантовых технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
В основе новой технологии лежат так называемые атомы Ридберга. Эти атомы, получившие свое название в честь шведского физика Иоганна Ридберга, представляют собой атомы, электроны которых переведены на очень высокие энергетические уровни. В результате атомы Ридберга становятся в тысячу раз больше обычных атомов, приобретая уникальные свойства, включая высокую чувствительность к внешним воздействиям, таким как тепловое излучение.
Принцип работы нового термометра заключается в отслеживании взаимодействия атомов Ридберга с тепловым излучением окружающей среды, также известным как чернотельное излучение. Измерение температуры происходит бесконтактно, путем мониторинга того, как тепло воздействует на атомы. В отличие от традиционных термометров, новое устройство не нуждается в заводской калибровке, поскольку его точность основана на фундаментальных принципах квантовой физики и прослеживается до международных стандартов.
Новый ридберговский термометр обладает рядом значительных преимуществ. Он обеспечивает исключительную точность измерений, позволяя фиксировать даже самые незначительные колебания температуры. Диапазон измерений охватывает температуры от 0 до 100 градусов Цельсия, что делает его универсальным инструментом для различных применений. Бесконтактный принцип действия позволяет измерять температуру объектов, не нарушая их состояния и не внося искажений в измерения.
Особую значимость разработка имеет для атомных часов, точность которых критически важна для многих современных технологий, включая системы навигации и телекоммуникации. Чернотельное излучение окружающей среды влияет на точность атомных часов, и новый термометр, как предполагается, позволит минимизировать это влияние, существенно повысив стабильность и надежность этих устройств.
Помимо атомных часов, квантовый термометр на атомах Ридберга найдет применение в широком спектре областей. В квантовых исследованиях, где точное поддержание и измерение температуры является ключевым фактором, новый термометр обеспечит необходимый уровень контроля. В промышленном производстве, где требуется высокоточный мониторинг температуры для контроля качества и оптимизации процессов, новое устройство станет незаменимым инструментом. Возможно применение термометра и в экстремальных условиях, например, на космических аппаратах, где важны надежные и точные измерения в условиях вакуума и радиации.
Разработчиками нового квантового термометра являются Ноа Шлоссбергер, постдокторант NIST, и Крис Холлоуэй, научный сотрудник NIST. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Research в 2025 году, под названием "Primary quantum thermometry of mm-wave blackbody radiation via induced state transfer in Rydberg states of cold atoms" (DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.L012020), представляет собой важный шаг вперед в развитии квантовых сенсорных технологий.
В эксперименте ученые использовали газ из атомов рубидия. Эти атомы были захвачены и охлаждены почти до абсолютного нуля, достигнув температуры около 0.5 милликельвина (тысячных долей градуса). Затем, с помощью лазеров, внешние электроны атомов рубидия были переведены на очень высокие орбиты, формируя атомы Ридберга. Чувствительные к чернотельному излучению, атомы Ридберга реагировали на тепло, испускаемое окружающими объектами.
Чернотельное излучение вызывало переходы электронов в атомах Ридберга на еще более высокие энергетические уровни. Отслеживая скорость этих энергетических переходов с течением времени, исследователи смогли измерить температуру. Чем выше температура, тем интенсивнее чернотельное излучение и, соответственно, выше скорость энергетических переходов в атомах Ридберга.
Новый квантовый термометр, основанный на принципах квантовой механики и использующий уникальные свойства атомов Ридберга, открывает новую эру в точных измерениях температуры. Стремясь к тому, чтобы измерения температуры стали столь же надежными, как фундаментальные константы природы, эта разработка знаменует собой революционный шаг в области метрологии и квантовых технологий.
