Создан квантовый термометр, точность которого приближается к фундаментальному пределу - «Наука и технологии»

Ученые-физики из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) нашли способ высокоточной калибровки температурных измерений, контролируя самые слабые колебательные движения наномеханическй системы, поведение которой подчиняется парадоксальным законам квантовой механики. Разработанная учеными технология еще не готова к практическому применению, тем не менее, она является яркой демонстрацией того, что температура может быть измерена путем наблюдений за свойствами физических объектов на квантовом уровне.

Точность, обеспечиваемая квантовым термометром, составляет несколько ничтожных долей процента в диапазоне от криогенных температур до нормальной температуры окружающей среды, что очень и очень близко к фундаментальному минимальному пределу измерений физических величин. В настоящее время ученые еще не могут указать абсолютное значение точности этого устройства, ведь в мире не существует другого измерителя температуры, имеющего даже приблизительно такой же уровень точности.

Ключевым элементом квантового термометра, является фотоэлектрический прибор, изготовленный при помощи технологий нанопроизводства, и это открывает возможности применения данной технологии там, где обычные технологии измерения температуры использовать невозможно в принципе.

Основу фотоэлектрического прибора составляет тончайшая нить прозрачного нитрида кремния. Известно, что тепловая энергия заставляет колебаться абсолютно все объекты, абсолютно различных масштабов. Амплитуда этих колебаний при комнатной температуре изменяется в пределах пикометров (триллионных долей метра) и для точно, чтобы наблюдать эти колебания требуются особые уловки. В данном случае этой уловкой стала маленькая отражающая свет впадина, изготовленная на поверхности нанонити. Когда луч света лазера проходит через эту прозрачную нить, небольшое количество света отражается от впадины, испытывая изменения длины волны в результате воздействия на него механических колебаний. И это изменение длины волны (цвета) заключает в себе информацию о температуре.

Но температурные колебания - это далеко не единственный вид колебаний, которые были зарегистрированы учеными. Ученые обнаружили еще один вид более "тонких" колебательных процессов, определяемых некоторыми причудами квантовой физики, даже в самом низкоэнергетическом состоянии объект колеблется из-за "врожденного" в него принципа квантовой неопределенности. Эти колебания не зависят от температуры, они имеют стабильную известную амплитуду и их влияние на процесс измерения температуры достаточно легко компенсировать массой известных способов.

В настоящее время ученые разрабатывают высокочувствительные фотонные термометры другого типа, при помощи которых можно будет хоть и приблизительно, но все же оценить точность нового квантового термометра. Кроме этого, интеграция нескольких типов высокоточных термометров на одном чипе позволит создать гибридное устройство, которое не будет требовать калибровки и не будет подвержено температурному и временному дрейфу, которым подвержен каждый из видов в отдельности. И только после этого такие сверхвысокоточные измерители температуры можно будет использовать в фармации, промышленности, науке и во многих других областях, где требуется знание точного значения температуры.