מדחום קוונטי משתמש באטומי Rydberg ענקיים כדי למדוד טמפרטורה בצורה מדויקת יותר

מדענים במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) יצרו מדחום חדש באמצעות אטומים שהוגברו לרמות אנרגיה כה גבוהות, עד שהם גדולים פי אלף מהרגיל. על ידי מעקב אחר אטומי "רידברג" ענקיים אלה מתקשרים עם חום בסביבתם, החוקרים יכולים למדוד טמפרטורה ברמת דיוק מדהימה. הרגישות של המדחום עשויה לשפר את מדידות הטמפרטורה בשדות הנעים בין מחקר קוונטי לייצור תעשייתי.

בניגוד למדחומים מסורתיים, מדחום של רידברג אינו צריך להתאים או לכייל אותו לראשונה במפעל מכיוון שהוא מסתמך באופן טבעי על העקרונות הבסיסיים של הפיזיקה הקוונטית. עקרונות קוונטיים בסיסיים אלה מניבים מדידות מדויקות הניתנות לעקוב ישירות גם בסטנדרטים בינלאומיים.

"אנו בעצם יוצרים מדחום שיכול לספק קריאות טמפרטורה מדויקות ללא הכיול הרגיל שאותו דורשים מדחומטרים נוכחיים", אמר חוקר NIST לאחר הדוקטורט נוח שלוסברגר.

מהפכה במדידת טמפרטורה

המחקר,פורסםבמחקר סקירה פיזית, היא מדידת הטמפרטורה המוצלחת הראשונה באמצעות אטומי רידברג. כדי ליצור מדחום זה, החוקרים מילאו תא ואקום עם גז של אטומי רובידיום והשתמשו בלייזרים ושדות מגנטיים כדי ללכוד ולקרר אותם לאפס כמעט מוחלט, סביב 0.5 מיליקלווין (אלפי תואר). המשמעות היא שהאטומים למעשה לא היו זזים. בעזרת לייזרים, לאחר מכן הם הגבירו את האלקטרונים החיצוניים ביותר של האטומים למסלול גבוה מאוד, מה שהפך את האטומים לגדולים פי 1,000 מאטומי רובידיום רגילים.

באטומי רידברג, האלקטרון החיצוני ביותר רחוק מליבת האטום, מה שהופך אותו למגיב יותר לשדות חשמליים והשפעות אחרות. זה כולל קרינת גוף שחור, החום הנפלט על ידי חפצים מסביב. קרינת גוף שחור עלולה לגרום לאלקטרונים באטומי רידברג לקפוץ למסלול גבוה עוד יותר. עלייה בטמפרטורות מגדילות את כמות קרינת הגוף השחור הסביבתי ואת קצב התהליך הזה. לפיכך, החוקרים יכולים למדוד טמפרטורה על ידי מעקב אחר קפיצות אנרגיה אלה לאורך זמן.


על ידי מעקב אחר האופן בו אטומי רידברג ענקיים מתקשרים עם חום בסביבתם, נוח שלוסברגר ועמיתיו יכולים למדוד טמפרטורה ברמת דיוק מדהימה. © ר 'ג'ייקובסון/ניסט

גישה זו אפשרה גילוי של אפילו שינויי טמפרטורה קלים ביותר. אמנם ישנם סוגים אחרים של מדחומים קוונטיים, אך מדחומי רידברג יכולים למדוד את הטמפרטורה של סביבתם מכ- 0 ל- 100 מעלות צלזיוס מבלי להזדקק לגעת באובייקט שנמדד.

פריצת דרך זו לא רק סוללת את הדרך למעמד חדש של מדחומים אלא היא משמעותית במיוחד לשעונים אטומיים, מכיוון שקרינת גוף שחור יכולה להפחית את הדיוק שלהם.

"שעונים אטומיים רגישים במיוחד לשינויי טמפרטורה, מה שעלול לגרום לטעויות קטנות במדידות שלהם", אמר מדען המחקר NIST, כריס הולוואי. "אנו מקווים שהטכנולוגיה החדשה הזו יכולה לעזור להפוך את השעונים האטומיים שלנו למדויקים עוד יותר."

מעבר למדע הדיוק, המדחום החדש יכול להיות בעל יישומים רחבים בסביבות מאתגרות החל החלליות ועד מפעלי ייצור מתקדמים, שם קריאות טמפרטורה רגישות חיוניות.

עם פיתוח זה, NIST ממשיכה לדחוף את גבולות המדע והטכנולוגיה.

"שיטה זו פותחת דלת לעולם בו מדידות הטמפרטורה אמינות כמו הקבועים הבסיסיים של הטבע", הוסיף הולוואי. "זה צעד מרגש קדימה לטכנולוגיית חישת קוונטים."

מידע נוסף:
Noah Schlossberger et al, תרמומטריה קוונטית ראשונית של קרינת גוף שחור-גל MM באמצעות העברת מצב המושרה במצבי רידברג של אטומים קרים,מחקר סקירה פיזית(2025).Doi: 10.1103/physrevresearch.7.l012020

מסופק על ידי
המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה

סיפור זה פורסם באדיבות NIST. קרא את הסיפור המקוריכָּאןו

צִיטָטָה:
מדחום קוונטי משתמש באטומי רידברג ענקיים כדי למדוד את הטמפרטורה בצורה מדויקת יותר (2025, 23 בינואר)