درجة الحرارة تحصل على تعريف جديد باستخدام جهاز كمي

يمكن أن يأتي تعريف أفضل وأكثر موثوقية لدرجة الحرارة من جهاز كمي مليء بالذرات العملاقة.

في حين أن بعض البلدان تقيس درجات الحرارة بالدرجة المئوية والبعض الآخر تستخدم فهرنهايت، فإن الفيزيائيين في كل مكان يستخدمون وحدة تسمى كلفن. يشير صفر كلفن إلى أبرد درجة حرارة مطلقة تسمح بها قوانين الفيزياء المعروفة، لذلك يقال إن كلفن يقيس “درجة الحرارة المطلقة”. ومع ذلك، من الناحية العملية، فإن التأكد من أنه عند قياس كلفن واحد، فهو كلفن واحد حقًا هي عملية شاقة.

“إذا كنت تريد إجراء قياس مطلق لدرجة الحرارة، فعليك شراء جهاز استشعار درجة الحرارة التجاري، والذي تمت معايرته بواسطة جهاز استشعار درجة حرارة تجاري آخر، والذي تمت معايرته بواسطة جهاز استشعار درجة حرارة تجاري آخر، وما إلى ذلك. وقد تم إرسال أحد هذه المستشعرات، في مرحلة ما، إلى المعهد الوطني للمعايير [and Technology]يقول نوح شلوسبرجر من NIST في كولورادو.

لقد قام هو وزملاؤه الآن ببناء جهاز يستخدم التأثيرات الكمومية لقياس كلفن، والذي يمكن للباحثين استخدامه بدلاً من الاضطرار إلى الاستعانة بشخص آخر لمعايرة أجهزة الاستشعار الخاصة بهم.

الجهاز عبارة عن صندوق صغير مصنوع من المعدن والزجاج يحتوي على ذرات الروبيديوم المحتجزة. يدفع الباحثون هذه الذرات إلى حجم هائل، باستخدام الليزر لتحريك الإلكترونات الخارجية بعيدًا بشكل غير عادي عن النواة، وإلى درجة حرارة قصوى باستخدام كل من الليزر والمجالات الكهرومغناطيسية للإمساك بالذرات وتبريدها إلى حوالي نصف ملي كلفن، وهي درجة حرارة تقارب 60000 من درجة حرارة الغرفة.

ونتيجة لذلك، تصبح الإلكترونات الخارجية في ذرات الروبيديوم حساسة للغاية حتى لو كانت الزيادة طفيفة في درجة الحرارة و”تقفز” إلى حالة كمومية مختلفة عندما تتعرض لواحدة منها. هذه القفزات هي التي تجعل الجهاز مستشعرًا رائعًا لدرجة الحرارة، لأن هناك نماذج رياضية راسخة يمكنها تحديد الاختلافات في درجات الحرارة اللازمة لصنعها – مما يسمح فعليًا بإعادة تعريف كلفن في هذه المصطلحات.

يعرّف المكتب الدولي للأوزان والمقاييس الكلفن بطريقة مماثلة – كمنتج لعدد من الثوابت الكمومية – ولكن من الناحية العملية، حتى المؤسسات مثل NIST تستخدم أجهزة غير كمومية للمعايرة. الأمل هو أن الجهاز الجديد يعطي تعريفًا كميًا للكلفن حيث لن تكون هناك حاجة للمعايرة.