El termòmetre quàntic

Uns millors termòmetres podrien ser possibles com a resultat d'un descobriment a l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia (NIST) dels Estats Units, on els físics han trobat una manera de calibrar els mesuraments de temperatura mitjançant el control dels petits moviments d'un sistema de nanomecànica que es regeix per les regles, sovint contràries a la intuïció, de la mecànica quàntica.

El mètode, que encara no està llest per a la seva comercialització, revela com es pot determinar amb precisió la seva energia tèrmica mitjançant l'observació de les seves propietats físiques a escala quàntica d'un objecte. Mentre que la demostració inicial té una precisió absoluta només dins d'uns pocs punts percentuals, l'enfocament NIST funciona sobre una àmplia gamma de temperatures que abasta les temperatures criogèniques i d'habitacions. També es porta a terme amb un dispositiu fotònic petit, nanofabricat, el que obre les possibles aplicacions que no són pràctiques amb les normes de temperatura convencionals.

L'enfocament de l'equip del NIST va sorgir dels esforços per observar les vibracions d'un petit feix transparent de nitrur de silici utilitzant llum làser. Quan brillava un làser a través del vidre, la llum que es reflectia des de la cavitat experimentava lleugers canvis en el color o la freqüència, a causa de les vibracions induïdes per la temperatura de la biga, de manera que el canvi de color de la llum ´és notable en el temps amb el moviment.

L'equip també va descobrir les vibracions molt més subtils que tots els objectes posseeixen, a causa d'una propietat mecànica quàntica anomenada moviment del punt zero: Fins i tot en la seva forma d'energia més baixa possible, el raig vibra molt lleugerament a causa de la incertesa inherent al cor de la mecànica quàntica. Aquest moviment és independent de la temperatura, i té una amplitud coneguda fonamentalment i dictada per la mecànica quàntica. En comparar la grandària relativa de la vibració tèrmica per al moviment quàntic, es pot determinar la temperatura absoluta.

Aquestes fluctuacions quàntiques intrínseques són milers de vegades més febles i, normalment, es perden en el soroll de les vibracions induïdes per energia tèrmica típica de temperatures ordinàries, però el procés de mesurament de la biga proporciona un mètode per distingir la quàntica i les fluctuacions tèrmiques. Quan els fotons de làser reboten en els costats de la biga, li donen lleugeres puntades, induint correlacions que fan que el moviment quàntic sigui més pronunciat. Amb aquests descobriments "es prepara l'escenari per a un nou enfocament per a la termometria primària" diu Tom Purdy, físic del Laboratori de Mesura Física de l'NIST.

El poder d'aquest nou mètode, quan es desenvolupi completament, es produirà quan la biga estigui aparellada amb altres en el xip fotònic i els termòmetres molt més sensibles també en desenvolupament al NIST. Aquests dispositius ofereixen la sensibilitat a la temperatura relativa exigida per les aplicacions en la fabricació farmacèutica, altres aplicacions industrials d'alt rendiment, i la vigilància del clima, però requereixen un calibratge absolut i poden variar amb el pas del temps. Aquest nou termòmetre quàntic actuarà com un estàndard de temperatura integrat.


Font: PHYS.Org