Et kvantetermometer til at måle de koldeste temperaturer i universet (Opdatering)

Fysikere fra Trinity College Dublin har foreslået et termometer baseret på kvantesammenfiltring, der nøjagtigt kan måle temperaturer en milliard gange koldere end dem i det ydre rum.

Disse ultrakolde temperaturer opstår i skyer af atomer, kendt som Fermi-gasser, som er skabt af videnskabsmænd for at studere, hvordan stof opfører sig i ekstreme kvantetilstande.

Arbejdet blev ledet af QuSys-teamet på Trinity med postdoc-stipendiater, Dr. Mark Mitchison, Dr. Giacomo Guarnieri og professor John Goold, i samarbejde med professor Steve Campbell (UCD) og Dr. Thomas Fogarty og professor Thomas Busch, der arbejder på OIST, Okinawa, Japan.

Deres resultater er netop blevet offentliggjort som et redaktørforslag i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

drøfter forslaget, Professor Goold, leder af Trinitys QuSys-gruppe, forklarer, hvad en ultrakold gas er. Han sagde:

"Den standard måde, hvorpå en fysiker tænker på en gas, er at bruge en teori kendt som statistisk mekanik. Denne teori blev opfundet af fysikgiganter som Maxwell og Boltzmann i det 19. århundrede. Disse fyre genoplivede en gammel idé fra de græske filosoffer at makroskopiske fænomener, såsom tryk og temperatur, kunne forstås ud fra den mikroskopiske bevægelse af atomer. Vi skal huske, at dengang, ideen om, at stof var lavet af atomer, var revolutionær."

Han fortsatte:"Ved begyndelsen af ​​det 20. århundrede, en anden teori kom til virkelighed. Dette er kvantemekanik, og det kan være den vigtigste og mest nøjagtige teori, vi har inden for fysik. En berømt forudsigelse af kvantemekanikken er, at enkelte atomer får bølgelignende træk, hvilket betyder, at de under en kritisk temperatur kan kombineres med andre atomer til en enkelt makroskopisk bølge med eksotiske egenskaber. Denne forudsigelse førte til en århundrede lang eksperimentel søgen efter at nå den kritiske temperatur. Succes blev endelig opnået i 90'erne med skabelsen af ​​de første ultrakolde gasser, afkølet med lasere (Nobelprisen 1997) og fanget med stærke magnetfelter - en bedrift, der vandt Nobelprisen i 2001."

Han tilføjede:"Ultra-kolde gasser som disse skabes nu rutinemæssigt i laboratorier verden over, og de har mange anvendelser, lige fra at teste fundamentale fysikteorier til at detektere gravitationsbølger. Men deres temperaturer er forbløffende lave ved nanokelvin og derunder! Bare for at give dig en idé, en kelvin er -272,15 grader Celsius. Disse gasser er en milliard gange koldere end det - de koldeste steder i universet, og de er skabt lige her på Jorden."

Så hvad er en Fermi-gas egentlig? Han forklarer:"Alle partikler i universet, inklusive atomer, kommer i en af ​​to typer kaldet 'bosoner' og 'fermioner'." En Fermi-gas omfatter fermioner, opkaldt efter fysikeren Enrico Fermi. Ved meget lave temperaturer, bosoner og fermioner opfører sig helt anderledes. Mens bosoner gerne klumper sig sammen, fermioner gør det modsatte. De er de ultimative sociale distancerer! Denne egenskab gør faktisk deres temperatur vanskelig at måle."

Dr. Mark Mitchison, avisens første forfatter, forklarer:"Traditionelt, temperaturen af ​​en ultrakold gas udledes af dens tæthed:ved lavere temperaturer har atomerne ikke nok energi til at sprede sig langt fra hinanden, gør gassen tættere. Men fermioner holder altid langt fra hinanden, selv ved ultralave temperaturer, så på et tidspunkt fortæller tætheden af ​​en Fermi-gas dig intet om temperaturen. I stedet, vi foreslog at bruge en anden slags atom som en sonde. Lad os sige, at du har en ultrakold gas lavet af lithiumatomer. Du tager nu et andet atom, sige kalium, og dyppe det i gassen. Kollisioner med de omgivende atomer ændrer tilstanden af ​​din kaliumsonde, og dette giver dig mulighed for at udlede temperaturen. Teknisk set, vores forslag indebærer at skabe en kvantesuperposition:en underlig tilstand, hvor probeatomet samtidig interagerer med gassen og ikke interagerer med gassen. Vi viste, at denne superposition ændrer sig over tid på en måde, der er meget følsom over for temperatur."

Dr. Giacomo Guarnieri giver følgende analogi:"Et termometer er blot et system, hvis fysiske egenskaber ændrer sig med temperaturen på en forudsigelig måde. F.eks. du kan tage temperaturen på din krop ved at måle kviksølvs udvidelse i et glasrør. Vores termometer fungerer på en analog måde, men i stedet for kviksølv måler vi tilstanden af ​​enkelte atomer, der er viklet ind (eller korreleret) med en kvantegas."

Professor Steve Campbell, UCD, bemærker:"Dette er ikke bare en vidtrækkende idé - det, vi foreslår her, kan faktisk implementeres ved hjælp af teknologi, der er tilgængelig i moderne atomfysiklaboratorier. At sådan fundamental fysik kan testes er virkelig fantastisk. Blandt de forskellige nye kvanteteknologier, kvantesensorer som vores termometer vil sandsynligvis have den mest umiddelbare effekt, så det er et rettidigt arbejde, og det blev fremhævet af redaktørerne af Physical Review Letters af den grund."

Professor Goold tilføjer:"Faktisk var en af ​​grundene til, at denne artikel blev fremhævet, netop fordi vi udførte beregninger og numeriske simuleringer med særligt fokus på et eksperiment, der blev udført i Østrig og offentliggjort for et par år siden i Videnskab . Her er Fermi-gassen en fortyndet gas af fangede lithiumatomer, som var i kontakt med kaliumurenheder. Eksperimentalisterne er i stand til at kontrollere kvantetilstanden med radiofrekvensimpulser og måle information om gassen. Det er operationer, der rutinemæssigt bruges i andre kvanteteknologier. De tidsskalaer, der er tilgængelige, er simpelthen fantastiske og ville være uden fortilfælde i traditionelle fysiske eksperimenter med kondenseret stof. Vi er glade for, at vores idé om at bruge disse urenheder som et kvantetermometer med udsøgt præcision kunne implementeres og testes med eksisterende teknologi."