Nhiệt kế lượng tử để đo nhiệt độ cực lạnh

Các nhà nghiên cứu đã mô tả một quá trình lượng tử sử dụng một nguyên tử duy nhất làm nhiệt kế để đo nhiệt độ của một loại khí siêu lạnh với sự hợp tác giữa Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa University (OIST), University College Dublin và Trinity College Dublin.

"Là các nhà vật lý lượng tử, mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là tạo ra và đo lường các hệ thống càng gần với độ không tuyệt đối càng tốt. Đây là giới hạn nhiệt độ thấp nhất, khoảng -273°C trên thang nhiệt độ Kelvin và đó là khi các hạt ngừng chuyển động”, Giáo sư Thomas Busch, người đứng đầu Đơn vị Hệ thống Lượng tử tại OIST và là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. "Vì vậy, có thể phát hiện những thay đổi nhỏ của nhiệt độ, chỉ ở mức hàng chục phần tỷ độ trên thang kelvin là rất quan trọng."

Thông thường, ở nhiệt độ phòng, có hơn một trăm tỷ nghìn tỷ nguyên tử xoay vòng với tốc độ lên tới 300-400m/s. Tiến sĩ Thomás Fogarty, một nhà khoa học thuộc Đơn vị Hệ thống lượng tử cho biết: “Khi chúng tôi đo nhiệt độ trong một căn phòng, chúng tôi không đo chuyển động của tất cả các nguyên tử này, chúng tôi chỉ thực hiện phép đo từ nhiệt kế. Mặc dù về nguyên tắc, người ta có thể cố gắng đo vận tốc của tất cả các nguyên tử trong một hệ lượng tử, chúng tôi muốn thiết kế một phương pháp đơn giản hơn và tốt hơn khi sử dụng nhiệt kế lượng tử".

Nhưng việc sử dụng nhiệt kế để đo một hệ lượng tử không đơn giản. Những hệ thống này lạnh hơn bất kỳ nơi nào tồn tại tự nhiên trong vũ trụ. Chúng cũng rất nhỏ, chỉ chứa khoảng 100.000 nguyên tử trong khí. Nếu nhiệt kế quá lớn hoặc quá ấm, nó sẽ làm nóng khí được đo và phá hủy các đặc tính lượng tử của hệ thống. Vì vậy, thay vào đó, cách tiếp cận mà sự hợp tác này thực hiện là sử dụng một nhiệt kế cũng rất nhỏ và rất lạnh - một nguyên tử đơn lẻ, siêu lạnh.

Khi lần đầu tiên được cho vào hệ thống, nguyên tử nhiệt kế này tồn tại ở hai trạng thái năng lượng khác nhau cùng một lúc - một thuộc tính độc đáo, phản trực giác của các hệ lượng tử. Nhưng khi nguyên tử nhiệt kế tương tác với khí cực lạnh, các đặc điểm lượng tử của trạng thái năng lượng kết hợp này phân rã. Tốc độ phân rã này xảy ra liên quan trực tiếp đến nhiệt độ của khí cực lạnh được thăm dò. Vì vậy, khi các nhà khoa học đo trạng thái của nguyên tử nhiệt kế, họ có thể suy ra chính xác nhiệt độ.

Tiến sĩ Fogarty giải thích: "Quá trình này về cơ bản phá hủy 'tính lượng tử' của nguyên tử nhiệt kế thông qua tương tác với khí, khiến nó thực sự trở thành nhiệt kế lượng tử".

Các nhà nghiên cứu cũng báo cáo thời gian tối ưu cho thời điểm nên thực hiện các phép đo, cũng như cường độ lý tưởng của các tương tác giữa nguyên tử đơn và khí, để có được độ nhạy tốt nhất và ít tiếng ồn nhất. Chất khí càng lạnh, quá trình phân rã xảy ra càng chậm, vì nguyên tử tương tác chậm hơn và ít thường xuyên hơn với chất khí. Tiến sĩ Fogarty nói thêm: “Để đo nhiệt độ ở các cực thấp nhất, chúng tôi cần đợi một thời gian dài trước khi đo và chúng tôi yêu cầu các tương tác yếu hơn để tối đa hóa tín hiệu và giảm thiểu tiếng ồn.”

Nhóm nghiên cứu hiện đang khám phá nhiều lối đi khác nhau để cải thiện độ nhạy của phương pháp, chẳng hạn như bằng cách sử dụng "học máy" để tối ưu hóa tương tác giữa nguyên tử nhiệt kế và khí hoặc bằng cách đưa nhiều nguyên tử nhiệt kế hơn vào hệ thống để các tương tác lượng tử phức tạp hơn có thể xảy ra.

"Phương pháp mới này đã thúc đẩy giới hạn của phép đo nhiệt, một phương pháp có ứng dụng quan trọng đối với công nghệ lượng tử", giáo sư Busch kết luận. "Tôi hy vọng chúng ta sẽ sớm thấy nó được sử dụng trong các thí nghiệm."

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily