基於量子效應的溫度計 可測量宇宙中的最低溫

系統示意圖。

據美國「科學日報」網站8月20日消息稱，愛爾蘭都柏林三一學院（TCD）的物理學家，日前在《物理評論快報》雜誌中提出了一種基於量子糾纏效應的溫度計概念，這種溫度計可以精確測量比外太空低十億倍的溫度。這類超冷溫度產生於原子云（費米氣體），它是科學家為了研究極端量子狀態下的物質行為而創造的。

什麼是超冷氣體？項目負責人John Goold教授解釋道：「物理學家分析氣體的標準方法源於統計力學理論。這一理論是在19世紀由麥克斯韋和玻爾茲曼等物理學巨擘發明的。他們復興了希臘哲學家的一個舊觀點，即諸如壓力和溫度等宏觀現象是可以從原子微觀運動的角度來理解的。我們需要知道，在那個時代，『物質是由原子構成的』這一觀點具有革命性意義。」

論文第一作者Mark Mitchison博士解釋道:「傳統上，超冷氣體的溫度可以從其密度推斷出來——在較低溫度下，原子沒有足夠的能量支持其向遠方擴散，這會讓氣體的密度增大。然而，即使在超低溫條件下，費米子也總是彼此保持著距離。因此，在某一時刻，費米氣體的密度與溫度沒有任何關係。我們提議使用一種不同的原子來作為探針。假設有一種由鋰原子組成的超冷氣體，你可以將一個不同的原子（比如鉀）浸入到超冷氣體中。它與周圍原子的碰撞會改變鉀探針的狀態，從而使你推斷出溫度。從技術上講，我們的提議涉及量子疊加態。我們發現，這種疊加態會隨著時間的推移而變化，並且對溫度非常敏感。」

論文作者Giacomo Guarnieri博士比喻說：「溫度計只是一個系統，它的物理性質會隨溫度的變化，而以可預測的方式發生變化。例如，你可以通過測量水銀在玻璃管中的膨脹量來測量體溫。我們提出的溫度計概念也以類似的方式運作，但我們測量的對象不是汞，而是與量子氣體糾纏（或相關）的若干個單原子的狀態。」

愛爾蘭都柏林大學的Steve Campbell教授評論道：「這不僅僅是一個遙不可及的創意——我們在這裡提出的概念是現代原子物理學能夠實現的。在各種新興的量子技術中，類似量子溫度計這樣的量子傳感器，可能會對科學研究產生最直接的影響。」

編譯：朱明逸 審稿：西莫 責編：雷鑫宇

期刊來源： 《物理評論快報》

期刊編號： 0031-9007

原文連結： https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200820110905.htm

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