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量子デバイスを使用して温度の新しい定義を取得

ルビジウム原子を冷却および捕捉するための新しいセットアップの主要部分トマシュ・カワレック CC BY-SA 4.0 温度のより正確で信頼性の高い定義は、巨大な原子で満たされた量子デバイスから得られる可能性があります。 温度を摂氏で測定する国もあれば、華氏で測定する国もありますが、物理学者はどこでもケルビンと呼ばれる単位を使用します。ゼロ ケルビンは、既知の物理法則で許容される絶対的な最低温度を意味するため、ケルビンは「絶対温度」を測定すると言われます。ただし、実際には、1 ケルビンを測定するときに、それが本当に 1 ケルビンであることを確認するのは骨の折れるプロセスです。 「絶対温度測定を行いたい場合は、市販の温度センサーを購入し、その温度センサーは別の市販の温度センサーで校正され、その温度センサーは別の市販の温度センサーで校正され、というようになります。そして、それらのセンサーの 1 つが、ある時点で米国標準協会に送られました。」 [and Technology]」とコロラド州NISTのノア・シュロスバーガー氏は言う。 彼と彼の同僚は現在、量子効果を利用してケルビンを測定する装置を構築した。研究者は、他の人にセンサーの校正を依頼する代わりに、この装置を使用できるようになる。 この装置は金属とガラスでできた小さな箱で、中にはルビジウム原子が閉じ込められています。研究者らは、レーザーを使用して最も外側の電子を原子核から異常に遠くに移動させ、これらの原子を極端なサイズまで押し上げ、レーザーと電磁場の両方を使用して原子をつかみ、室温の約60万分の1の温度である約0.5ミリケルビンまで冷却することによって極端な温度まで押し上げる。 その結果、ルビジウム原子の最外殻電子は、わずかな温度上昇にも非常に敏感になり、別の量子状態にさらされると、その状態に「ジャンプ」します。これらのジャンプにより、デバイスが優れた温度センサーとなるのです。なぜなら、ジャンプに必要な温度差を決定できる確立された数学的モデルがあり、これらの用語でのケルビンの再定義が効果的に可能になるからです。 国際度量衡局も同様の方法でケルビンをいくつかの量子定数の積として定義していますが、実際には NIST のような機関でさえ校正に非量子デバイスを使用しています。新しいデバイスが校正を必要としないケルビンの量子定義を提供することが期待されています。 「世界中のすべてのルビジウム原子はまったく同じであり、同じ環境ではまったく同じように動作します。地球の反対側でデバイスを再構築できますが、それはまったく同じになります」とシュロスバーガー氏は言います。これは、非常に低いケルビン温度でのみ動作する原子時計など、高精度のデバイスを正しく機能し続けるために特に重要であると彼は言います。 しかし、新しいデバイスはまだプロトタイプであるため、たとえば量子状態の検出方法にはまだ不完全な点があります。また、かさばりすぎて研究室から持ち出すことができず、構築には6か月以上かかりました。研究者らは現在、より実用的で精度を高めるための設計の最適化に取り組んでいる。 シュロスバーガー氏は、3月16日にコロラド州で開催された米国物理学会グローバル物理サミットでこの研究を発表した。 トピック: #量子デバイスを使用して温度の新しい定義を取得