محققان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) موفق به ساخت یک دماسنج مبتنی بر اتم‌های «ریدبرگ» شده‌اند که می‌تواند دما را با دقتی فوق‌العاده اندازه‌گیری کند. این دماسنج که از اتم‌های غول‌پیکر (هزار برابر بزرگ‌تر از اتم‌های معمولی) استفاده می‌کند، نیازی به کالیبراسیون اولیه ندارد و بر اساس اصول پایه‌ای فیزیک کوانتوم کار می‌کند. این دستاورد علمی می‌تواند تحول بزرگی در صنایع مختلف، از تحقیقات کوانتومی تا ساخت ساعت‌های اتمی دقیق‌تر، ایجاد کند.

در این روش، اتم‌های روبیدیوم در یک محفظه خلاء قرار می‌گیرند و با استفاده از لیزر و میدان‌های مغناطیسی تا نزدیک به صفر مطلق (حدود ۰.۵ میلی‌کلوین) سرد می‌شوند. در این دما، اتم‌ها تقریباً هیچ حرکتی ندارند. سپس، با استفاده از لیزر، الکترون‌های بیرونی این اتم‌ها به مدار‌های بسیار بالاتری فرستاده می‌شوند و اتم‌های غول‌پیکر «ریدبرگ» ایجاد می‌شوند.

اتم‌های ریدبرگ به دلیل فاصله زیاد الکترون بیرونی از هسته، به میدان‌های الکتریکی و تابش‌های محیطی مانند تابش جسم سیاه (حرارت ساطع‌شده از اجسام اطراف) بسیار حساس هستند. با افزایش دما، میزان تابش جسم سیاه بیشتر می‌شود و این تابش باعث می‌شود الکترون‌های اتم‌های ریدبرگ به مدار‌های بالاتری مهاجرت کنند. با اندازه‌گیری این پرش‌های انرژی، محققان می‌توانند دمای محیط را با دقت بسیار بالا محاسبه کنند.

یکی از ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد این دماسنج، بی‌نیازی از کالیبراسیون اولیه است. برخلاف دماسنج‌های سنتی که باید در کارخانه تنظیم و کالیبره شوند، این دماسنج بر اساس اصول کوانتومی کار می‌کند و اندازه‌گیری‌های آن مستقیماً به استاندارد‌های بین‌المللی مرتبط هستند. نوح شلوسبرگر، پژوهشگر پسادکتری در NIST می‌گوید: ما در حال ساخت دماسنجی هستیم که می‌تواند بدون نیاز به کالیبراسیون‌های معمول، اندازه‌گیری‌های دقیقی ارائه دهد.

این فناوری نه تنها در تحقیقات کوانتومی و ساخت ساعت‌های اتمی دقیق‌تر کاربرد دارد، بلکه می‌تواند در صنایع پیشرفته، فضاپیما‌ها و سایر محیط‌های چالش‌برانگیز نیز استفاده شود. کریس هالووی، دانشمند NIST، می‌گوید: ساعت‌های اتمی به تغییرات دما بسیار حساس هستند و این تغییرات می‌توانند باعث خطا‌های کوچک در اندازه‌گیری‌ها شوند. ما امیدواریم این فناوری جدید به افزایش دقت ساعت‌های اتمی کمک کند.

این دستاورد علمی گامی بزرگ در فناوری حسگر‌های کوانتومی است و نویدبخش آینده‌ای است که اندازه‌گیری دما با دقتی بی‌نظیر انجام می‌شود. هالووی اضافه می‌کند: این روش دریچه‌ای به دنیایی جدید باز می‌کند که در آن اندازه‌گیری دما به اندازه ثابت‌های بنیادی طبیعت قابل اعتماد است. این یک گام هیجان‌انگیز به جلو در فناوری حسگر‌های کوانتومی است.

با این پیشرفت، NIST همچنان مرز‌های علم و فناوری را جابه‌جا می‌کند و راه را برای نوآوری‌های بیشتر در اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد هموار می‌سازد.

منبع:  ستاد ویژه توسعه فناوری نانو