科学家们引入了一种先进的方法，通过使用大型“赖德堡”原子进行高精度的温度测量。这种原子温度计能够立即提供精确的读数，无需最初的工厂设置，这得益于它基于量子物理原理的基础。通过利用赖德堡原子对其周围环境变化的高度敏感性，这项技术可能使在极端条件下进行温度测量变得更加容易，从外太空到高精度工业。
美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员设计了一种新的温度计，利用被激发到极高能量状态的原子，使其变得比典型原子大一千倍。通过观察这些超大“赖德堡”原子对环境热量的反应，科学家们能够实现卓越的温度测量。这种温度计的精度有潜力提高各个领域的温度评估，包括量子研究和工业制造。
与传统温度计相比，赖德堡温度计不需要预调整或校准，因为它根本上根据量子物理的基本原理进行操作。这些核心量子概念允许直接与国际标准对齐的精确测量。
“我们实际上在开发一种能够提供精确温度读数的温度计，而不需要目前设备所需的常规校准，”NIST博士后研究员诺亚·施洛斯伯格表示。
改变温度测量
这项发表在物理评论研究上的研究标志着首次成功使用赖德堡原子进行温度测量。为了构建这种温度计，研究人员将一个真空腔充满铷气，并利用激光和磁场将原子冷却并捕获到接近绝对零度的状态，约0.5毫开尔文（千分之一度）。这意味着原子几乎处于静止状态。接着，他们使用激光将原子外层电子激发到非常高的能量水平，使原子扩展到大约标准铷原子大小的1000倍。
在赖德堡原子中，最外层的电子占据远离原子核的轨道，使其对电场和其他影响，包括黑体辐射（周围物体释放的热量）更为敏感。黑体辐射可以诱导赖德堡原子中的电子跃迁到更高的能量水平。随着温度的升高，环境黑体辐射的量和这些电子跃迁的频率也会增加。因此，研究人员可以通过观察这些能量变化随时间的变化来确定温度。
这种方法促进了对微小温度波动的检测。虽然存在各种类型的量子温度计，但赖德堡温度计可以在不接触被测物体的情况下，测量其环境温度范围约为0至100摄氏度。
这一创新突破不仅为新类别的温度计开辟了道路，还有助于原子钟的重大影响，因为黑体辐射可能会妨碍其准确性。
“原子钟对温度变化非常敏感，这可能导致读数的轻微误差，”NIST研究科学家克里斯·霍洛威评论道。“我们对这项新技术能够提高我们原子钟的精度感到乐观。”
除了精密研究，这种新温度计还可以广泛应用于要求苛刻的场景，包括航天器和复杂制造工艺，在这些场合，准确的温度读数至关重要。
通过这一进展，NIST继续拓展科学和技术的前沿。
“这种方法为温度测量的可靠性打开了可能性，就像自然界的基本常数一样，”霍洛威总结道。“这标志着量子传感技术的一个激动人心的进展。”
