巨型里德伯原子“化身”量子温度计
发布时间: 2025-01-27 09:21:11
科技日报北京1月25日电（记者刘霞）美国国家标准与技术研究院科学家利用一种巨大的里德伯原子，研制出新型量子温度计。通过监测这些巨大原子与环境中热量之间的相互作用，他们获得了非常精确的温度测量结果。相关论文发表于最新一期《物理评论研究》杂志。
这是使用里德伯原子测量温度的实验室装置，其中发光的红色球体为该装置中使用的大约100万个铷原子组成的云团。图片来源：美国国家标准与技术研究院
高激发原子是一个价电子被激发到高量子态（主量子数n很大）的原子，也被称为里德伯原子。为制造精确的温度计，研究团队在真空室中充入铷原子气体，随后使用激光和磁场将其捕获并冷却到接近绝对零度。然后，他们再使用激光，让原子最外层的电子跃升至非常高的能量轨道，得到的里德伯原子比普通铷原子大1000倍。
里德伯原子最外层电子远离原子核，使其对电场和外部干扰更敏感。这些影响包括黑体辐射，即周围物体发出的热量。黑体辐射会导致里德伯原子内的电子跃迁到更高的能量轨道。由于温度升高会增加环境黑体辐射数量以及电子跃迁速率，通过跟踪这些随时间变化的能量跃迁就可以测量温度。
这种方法可以检测到最微小的温度变化，且无需接触被测物体即可测量，测量范围为0至100摄氏度。这一突破有望提升原子钟精度，因为原子钟对温度变化非常敏感，微小的温度变化都会导致误差。
与传统温度计不同，新研制的温度计基于量子物理学的基本原理，不需要像其他温度计那样进行常规校准，即可提供精确的符合国际标准的测量结果。除应用于精密科学领域，新型温度计还可以在航天器、先进制造厂内大显身手。
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