Natuurkundigen van Trinity College Dublin hebben een thermometer voorgesteld op basis van kwantumverstrengeling die nauwkeurig temperaturen kan meten die een miljard keer kouder zijn dan die in de ruimte.

Deze ultrakoude temperaturen ontstaan ​​in wolken van atomen, bekend als Fermi-gassen, die door wetenschappers zijn gemaakt om te bestuderen hoe materie zich gedraagt ​​in extreme kwantumtoestanden.

Het werk werd geleid door het QuSys-team van Trinity met postdoctorale fellows, Dr. Mark Mitchison, Dr. Giacomo Guarnieri en professor John Goold, in samenwerking met Professor Steve Campbell (UCD) en Dr. Thomas Fogarty en Professor Thomas Busch werkzaam bij OIST, Okinawa, Japan.

Hun resultaten zijn zojuist gepubliceerd als Editor's Suggestion in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Het voorstel bespreken, Professor Goud, hoofd van de QuSys-groep van Trinity, legt uit wat een ultrakoud gas is. Hij zei:

"De standaardmanier waarop een natuurkundige over een gas denkt, is door een theorie te gebruiken die bekend staat als statistische mechanica. Deze theorie is in de 19e eeuw uitgevonden door natuurkundigen als Maxwell en Boltzmann. Deze jongens hebben een oud idee van de Griekse filosofen nieuw leven ingeblazen dat macroscopische verschijnselen, zoals druk en temperatuur, kan worden begrepen in termen van de microscopische beweging van atomen. We moeten niet vergeten dat op het moment, het idee dat materie uit atomen bestond, was revolutionair."

Hij vervolgde:"Aan het begin van de 20e eeuw, een andere theorie kwam tot bloei. Dit is kwantummechanica en het is misschien wel de belangrijkste en meest nauwkeurige theorie die we in de natuurkunde hebben. Een beroemde voorspelling van de kwantummechanica is dat afzonderlijke atomen golfachtige kenmerken krijgen, wat betekent dat ze onder een kritische temperatuur kunnen combineren met andere atomen tot een enkele macroscopische golf met exotische eigenschappen. Deze voorspelling leidde tot een eeuwenlange experimentele zoektocht om de kritische temperatuur te bereiken. Het succes werd uiteindelijk behaald in de jaren 90 met de creatie van de eerste ultrakoude gassen, gekoeld met lasers (Nobelprijs 1997) en gevangen met sterke magnetische velden - een prestatie die in 2001 de Nobelprijs won."

Hij voegde eraan toe:"Ultrakoude gassen zoals deze worden nu routinematig gemaakt in laboratoria over de hele wereld en ze hebben veel toepassingen, variërend van het testen van fundamentele natuurkundige theorieën tot het detecteren van zwaartekrachtgolven. Maar hun temperaturen zijn verbijsterend laag bij nanokelvin en lager! Om je een idee te geven, één kelvin is -272,15 graden Celsius. Deze gassen zijn een miljard keer kouder dan dat - de koudste plekken in het universum en ze worden hier op aarde gecreëerd."

Dus wat is precies een Fermi-gas? Hij legt uit:"Alle deeltjes in het universum, inclusief atomen, komen in een van de twee soorten genaamd 'bosonen' en 'fermionen'." Een Fermi-gas bestaat uit fermionen, vernoemd naar de natuurkundige Enrico Fermi. Bij zeer lage temperaturen, bosonen en fermionen gedragen zich totaal anders. Terwijl bosonen graag samenklonteren, fermionen doen het tegenovergestelde. Zij zijn de ultieme social distancers! Deze eigenschap maakt hun temperatuur eigenlijk lastig te meten."

Dr. Mark Mitchison, de eerste auteur van het artikel, legt uit:"Traditioneel, de temperatuur van een ultrakoud gas wordt afgeleid uit zijn dichtheid:bij lagere temperaturen hebben de atomen niet genoeg energie om zich ver uit elkaar te verspreiden, waardoor het gas dichter wordt. Maar fermionen blijven altijd ver uit elkaar, zelfs bij ultra-lage temperaturen, dus op een gegeven moment zegt de dichtheid van een Fermi-gas niets over de temperatuur. In plaats daarvan, we stelden voor om een ​​ander soort atoom als sonde te gebruiken. Laten we zeggen dat je een ultrakoud gas hebt gemaakt van lithiumatomen. Je neemt nu een ander atoom, zeg kalium, en dompel het in het gas. Botsingen met de omringende atomen veranderen de toestand van uw kaliumsonde en dit stelt u in staat om de temperatuur af te leiden. Technisch sprekend, ons voorstel omvat het creëren van een kwantumsuperpositie:een vreemde toestand waarin het sonde-atoom tegelijkertijd wel en niet interageert met het gas. We hebben aangetoond dat deze superpositie in de loop van de tijd verandert op een manier die erg temperatuurgevoelig is."

Dr. Giacomo Guarnieri geeft de volgende analogie:"Een thermometer is slechts een systeem waarvan de fysieke eigenschappen op een voorspelbare manier veranderen met de temperatuur. je kunt de temperatuur van je lichaam opnemen door de uitzetting van kwik in een glazen buis te meten. Onze thermometer werkt op een analoge manier, maar in plaats van kwik meten we de toestand van afzonderlijke atomen die verstrengeld zijn (of gecorreleerd) met een kwantumgas."

Professor Steve Campbell, UCD, merkt op:"Dit is niet zomaar een wijdverbreid idee - wat we hier voorstellen, kan daadwerkelijk worden geïmplementeerd met behulp van technologie die beschikbaar is in moderne laboratoria voor atoomfysica. Dat dergelijke fundamentele fysica kan worden getest, is echt verbazingwekkend. Onder de verschillende opkomende kwantumtechnologieën, kwantumsensoren zoals onze thermometer zullen waarschijnlijk de meest directe impact hebben, dus het is een actueel werk en om die reden werd het benadrukt door de redacteuren van Physical Review Letters."

Professor Goold voegt toe:"Eigenlijk was een van de redenen dat dit artikel werd benadrukt, juist omdat we berekeningen en numerieke simulaties uitvoerden met een bijzondere focus op een experiment dat in Oostenrijk werd uitgevoerd en een paar jaar geleden werd gepubliceerd in Wetenschap . Hier is het Fermi-gas een verdund gas van ingesloten lithiumatomen die in contact waren met kaliumonzuiverheden. De experimentatoren zijn in staat om de kwantumtoestand te controleren met radiofrequentiepulsen en informatie over het gas te meten. Dit zijn bewerkingen die routinematig worden gebruikt in andere kwantumtechnologieën. De beschikbare tijdschalen zijn gewoon verbazingwekkend en zouden ongekend zijn in traditionele fysica-experimenten met gecondenseerde materie. We zijn verheugd dat ons idee om deze onzuiverheden als een kwantumthermometer met uitstekende precisie te gebruiken, kan worden geïmplementeerd en getest met bestaande technologie."