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《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员利用新型原子温度计实现更精确的温度测量》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2025-01-29

  • 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

  • 原文来源：https://www.nist.gov/news-events/news/2025/01/new-atom-based-thermometer-measures-temperature-more-accurately
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    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2025-04-15
    • Andrew Iams在电子显微镜下观察时看到了一些奇怪的东西。当时，他正在原子层面上检查一块新型铝合金的碎片，试图找到其强度的关键，这时他注意到原子排列成一种极为特殊的模式。“就在那时，我开始感到兴奋，”Iams表示，他是一名材料研究工程师，“因为我觉得自己可能正在观察一种准晶体。” 他不仅在该铝合金中发现了准晶体，而且他和他在美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事们还发现，这些准晶体也使其更加坚固。他们将这一发现发表在了《Journal of Alloys and Compounds》上（DOI：10.1016/j.jallcom.2025.180281）。 这种合金是在金属3D打印的极端条件下形成的，这是一种制造金属零件的新方法。在原子层面上理解这种铝的特性，将使制造全新类别的3D打印零件成为可能，例如飞机部件、热交换器和汽车底盘。这也将为研究使用准晶体来增强强度的新型铝合金开辟道路。 准晶体是什么？ 准晶体与普通晶体相似，但有几个关键区别。 传统晶体是由原子或分子以重复模式排列而成的任何固体。例如，食盐是一种常见的晶体。食盐的原子连接形成立方体，这些微小的立方体又连接形成足够大的立方体，可以用肉眼看到。 原子形成重复晶体图案的方式只有230种。准晶体不符合其中的任何一种。它们独特的形状使它们能够形成填充空间的图案，但永远不会重复。 准晶体是由以色列理工学院的材料科学家Dan Shechtman在20世纪80年代于NIST休假期间发现的。当时许多科学家认为他的研究存在缺陷，因为他发现的新晶体形状不符合晶体的正常规则。但通过仔细研究，谢赫特曼毫无疑问地证明了这种新型晶体的存在，彻底改变了晶体学的科学，并赢得了2011年的诺贝尔化学奖。 几十年后，在与Shechtman同一栋楼工作的Andrew Iams在3D打印铝中发现了他自己的准晶体。 金属3D打印如何工作？ 金属3D打印有几种不同的方法，但最常见的一种称为“粉末床熔化”。其工作原理如下：金属粉末被均匀地铺成一层薄层。然后，一台强大的激光在粉末上移动，将其熔化在一起。在第一层完成后，新的粉末层被铺在上面，重复这一过程。激光逐层将粉末熔化成所需的形状。 3D打印能够制造出其他方法无法实现的形状。例如，2015年，GE公司为飞机发动机设计了燃料喷嘴，这种喷嘴只能通过金属3D打印制造。这种新型喷嘴是一个巨大的改进。其复杂的形状从打印机中出来时是一个轻质的整体部件。相比之下，之前的版本需要由20个独立部件组装而成，重量增加了25%。到目前为止，GE已经打印了数万个这样的燃料喷嘴，这表明金属3D打印可以在商业上取得成功。 金属3D打印的一个局限性在于它只能适用于少数几种金属。“高强度铝合金几乎不可能打印，”NIST的物理学家、论文的合著者Fan Zhang表示。“它们容易产生裂缝，这使得它们无法使用。” 为什么打印铝很难？ 普通铝在大约700摄氏度的温度下熔化。3D打印机中的激光必须将温度提高到远高于这一温度：超过金属的沸点，即2470摄氏度。这会改变金属的许多特性，尤其是因为铝比其他金属加热和冷却得更快。 2017年，加州的HRL实验室和加州大学圣塔芭芭拉分校的一个研究小组发现了一种可以3D打印的高强度铝合金。他们发现，在铝粉中添加锆可以防止3D打印部件出现裂缝，从而制造出一种坚固的合金。 NIST的研究人员着手在原子层面上了解这种新的、可商业获得的3D打印铝-锆合金。“为了足够信任这种新金属，以便将其用于关键部件，如军用飞机零件，我们需要深入理解原子是如何组合在一起的，”Zhang表示。 NIST团队想知道是什么让这种金属如此坚固。事实证明，部分答案是准晶体。 准晶体如何使铝更强？ 在金属中，完美的晶体结构较为脆弱。完美晶体的规律模式使原子更容易相互滑动。当这种情况发生时，金属会弯曲、拉伸或断裂。准晶体打破了铝晶体的规律模式，产生缺陷，从而使金属更加坚固。 识别准晶体的测量科学 当Iams从正确的角度观察这些晶体时，他发现它们具有五重旋转对称性。这意味着有五种方式可以绕一个轴旋转晶体，使其看起来相同。 “五重对称性非常罕见。这是可能发现准晶体的一个明显迹象，”Iams表示。“但在我们完全确信之前，必须确保测量是正确的。”为了确认他们发现的是一种准晶体，Iams必须在显微镜下小心地旋转晶体，并证明它还具有三重对称性和从两个不同角度观察到的二重对称性。 “现在我们有了这一发现，我认为它将为合金设计开辟一种新方法，”Zhang表示。“我们已经证明准晶体可以使铝更强。现在人们可能会尝试在未来合金中故意制造准晶体。”
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员使用红外透射成像的新方法测量活细胞中的生物分子》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-09-14
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