Onderzoekers hebben een nieuwe theorie ontwikkeld voor het registreren van de laagste temperaturen ooit gemeten, met de grootste nauwkeurigheid toegestaan ​​door de wetten van de natuur. Deze onderzoekslijn belooft een revolutie teweeg te brengen in de fysica bij lage temperaturen en zou een overvloed aan toepassingen kunnen vinden in opkomende kwantumtechnologieën.

Een recente samenwerking waarbij een team van de Universiteit van Nottingham en The Institute of Photonic Sciences (Barcelona, Spanje), laat zien dat het kan, in principe, om temperaturen onder een miljardste Kelvin (!) in een koud atomair gas te meten zonder het significant te verstoren, die de huidige precisienormen overtreft. Het werk is gepubliceerd in de laatste editie van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

In hun studie hebben de onderzoekers modelleerden een Bose-Einstein-condensaat - een unieke toestand van materie die wordt bereikt door een atomair gas af te koelen tot extreem lage temperaturen - met behulp van realistische experimentele parameters. De thermometrische techniek zou werken door een onzuiverheidsatoom in te bedden in het atomaire condensaat, zodat het door interactie informatie verkrijgt over de temperatuur van het monster. Vooral, zijn positie en snelheid worden temperatuurafhankelijk zodat, door ze te monitoren, de temperatuur kan met hoge nauwkeurigheid worden afgeleid zonder het condensaat te verstoren.

Atomaire gassen koelen

Ultrakoude atomaire gassen zijn een zeer veelzijdig experimenteel platform voor een aantal toepassingen zoals simulatie van sterk gecorreleerde systemen, quantum informatieverwerking, of de productie van hoogwaardige (koude) elektronenbundels voor elektronenmicroscopie of elektronendiffractie. Voor de meeste van deze toepassingen is het essentieel om het atomaire gas af te koelen tot de laagst mogelijke temperaturen. Het nauwkeurig bepalen van de temperatuur van deze systemen is ook van cruciaal belang voor toepassingen.

Mohammed Mehboudi, de hoofdauteur van het artikel zei:"De meest gebruikelijke thermometrische technieken die momenteel beschikbaar zijn voor koude atomen zijn destructief; het monster wordt vernietigd als gevolg van de meting. Anderzijds, niet-destructieve technieken missen meestal de nodige nauwkeurigheid bij zeer lage temperaturen. Ons onderzoek biedt een oplossing die beide problemen overwint".

Uitstekende experimentele prestaties maken tegenwoordig thermometrie met hoge precisie mogelijk bij zeer lage temperaturen. Echter, afhankelijk van het specifieke experimentele platform, het onderliggende fysieke mechanisme, nauwkeurigheid, en het effectieve temperatuurbereik van verschillende thermometrische schema's varieert aanzienlijk. Dr. Luis Correa werkte ook mee aan het onderzoek en merkt op:"Het nieuw ontwikkelde theoretische raamwerk van kwantumthermometrie probeert de fundamentele limieten te bepalen voor de precisie van temperatuurmetingen dicht bij het absolute nulpunt; en het is universeel van toepassing op elk systeem. Belangrijk is dat dit kan aanwijzingen geven over hoe de huidige thermometrische normen voor lage temperaturen kunnen worden verbeterd."