近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员开发了一种新型温度计，利用被激发到极高能级的原子，这些原子的体积比正常原子大一千倍。通过监测这些巨大的“里德堡原子”与周围环境中的热量如何相互作用，研究人员能够以极高的精度测量温度。这种温度计的灵敏度有望在从量子研究到工业制造等多个领域提升温度测量的准确性。
与传统温度计不同，里德堡温度计无需在工厂进行初始调整或校准，因为它依赖于量子物理的基本原理。这些基本的量子原理能够产生精确的测量结果，并且可以直接追溯到国际标准。
“我们正在开发一种温度计，它无需像现有温度计那样进行常规校准，就能提供准确的温度读数。”NIST的博士后研究员Noah Schlossberger表示。
革新温度测量技术
该研究于2025年1月23日发表于《Physical Review Research》期刊，是首次成功利用里德堡原子进行温度测量。为了制造这种温度计，研究人员在一个真空室内填充了铷原子气体，并使用激光和磁场将原子冷却至接近绝对零度，大约为0.5毫开尔文（千分之一度）。这意味着原子几乎处于静止状态。随后，研究人员利用激光将原子的最外层电子激发到非常高的轨道，使原子的体积比普通铷原子大了约1000倍。
在里德堡原子中，最外层电子远离原子核，因此对电场和其他影响因素更为敏感，其中包括黑体辐射，即周围物体发出的热量。黑体辐射可导致里德堡原子中的电子跃迁至更高轨道。温度升高会增加环境中的黑体辐射量，并加快这一过程。因此，研究人员可以通过跟踪这些能量跃迁随时间的变化来测量温度。
这种方法能够检测到极其微小的温度变化。尽管还有其他类型的量子温度计，但里德堡温度计可以在不接触被测物体的情况下，测量其周围环境从大约0到100摄氏度的温度。
这一突破不仅为新型温度计的开发铺平了道路，而且对于原子钟来说意义重大，因为黑体辐射会降低原子钟的精度。
“原子钟对温度变化极为敏感，这可能导致其测量结果出现微小误差。”美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究科学家Chris Holloway表示，“我们希望这项新技术能够帮助我们的原子钟变得更加精确。”
除了在精密科学领域之外，这种新型温度计还可能在极具挑战性的环境中得到广泛应用，例如航天器和先进制造工厂，这些地方都需要极其精确的温度读数。
凭借这一成果，NIST继续推动科学技术的边界。
“这种方法为一个温度测量与自然基本常数一样可靠的世界打开了大门。”Holloway补充道，“这是量子传感技术向前迈出的令人兴奋的一步。”
文章信息：Noah Schlossberger, et al. Primary quantum thermometry of mm-wave blackbody radiation via induced state transfer in Rydberg states of cold atoms. Physical Review Research. Published online Jan. 23, 2025. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.L012020
