Физики изобрели сверхточный квантовый термометр

Москва, 18:04, 16 Мар 2016, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Самый точный в мире термометр может появиться в результате открытия способа измерений температуры с помощью мониторинга крошечных движений наномеханической системы, которая регулируется зачастую нелогичным правилам квантовой механики.

Сущность метода заключается в том, что тепловая энергия объекта может быть точно определена путем наблюдения его физических свойств на квантовом уровне. Такой подход работает в широком диапазоне температур, охватывающем криогенные и комнатные.

Метод возник из попыток физиков наблюдать колебания прозрачного луча, исходящего из нитрида кремния от лазерного света. Тепловая энергия, которая часто выражается как температура, делает все объекты вибрирующими. Чем теплее объект, тем более выражены вибрации, хотя они всего порядка пикометра (одна триллионная метра) от размера пучка при комнатной температуре. Когда лазер светит через кристалл, у света, отраженного от резонатора, возникают небольшие изменения в цвете из-за температурно-индуцированных вибраций, делая цвет заметно меняющимся во времени с движением.

Физики также заметили гораздо более тонкие вибрации, которыми все объекты обладают вследствие квантово-механических свойств, называемых нулевой точкой движения — даже при минимально возможной энергии, луч чуть-чуть вибрирует из-за неопределенности на основе квантовой механики. Это движение не зависит от температуры, и имеет известную амплитуду, принципиально диктуемую квантовой механикой. Сравнивая относительные размеры тепловых вибраций квантового движения, может быть определена и абсолютная температура.

Эти внутренние квантовые флуктуации в тысячи раз слабее, и обычно теряются в «шуме» индуцированных тепловой энергией вибраций, типичных для обычных температур, но процесс измерения пучка обеспечивает способ отличить квантовые и тепловые флуктуации. Когда фотоны от лазера отскакивают от боков луча, они наносят ему незначительные удары, вызывающие корреляции, которые делают квантовое движение более выраженным.

Сила этого нового метода проявляется, когда луч работает в паре с другим, чрезвычайно чувствительным фотонным термометром. Такая потрясающая температурная чувствительность востребована в фармацевтическом производстве и других высокотехнологичных промышленных применениях, но требуют абсолютной калибровки. Этот новый квантовый термометр будет выступать в качестве температурного стандарта, с которым можно сравнивать другие термометры.