Ученые из Британии и Испании определили принципиальные границы точности измерения температуры для наноразмерных областей, а также подобрали «рецепт» оптимальной методики измерений температуры для квантовых устройств, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Задача измерения температур в разных точках микроскопической электронной схемы или внутри живой клетки достаточно сложна. Поэтому для этих целей предлагается использовать квантовые устройства, например, флюоресцентные термометры на базе квантовых точек или нанокристаллы алмазов с дефектами кристаллической решетки (так называемыми «центрами окраски).

Джерардо Адессо из университета Ноттингема и его коллеги из университета Барселоны выяснили, какие существуют пределы точности квантовых термометров в различных экспериментальных сценариях, и определили, какие есть возможности для ее улучшения.

Ученые, в частности, показали, что наиболее чувствительный термометр должен иметь наибольшую теплоемкость – таким образом небольшие изменения во внешней температуре сильнее отражаются на энергии самого термометра. Его чувствительность также зависит от уровня энергии и числа доступных квантовых состояний. Например, термометр на центрах окраски имеет одно основное состояние и два возбужденных состояния с одной и той же энергией.

Оказалось, что наиболее точной будет система с двумя энергетическими уровнями, где при этом верхний энергетический уровень имеет не два состояния, но большое их число. Наращивание числа возбужденных состояний увеличивает точность, но оно также сужает диапазон температур, в которых термометр работает с максимальной точностью.

Авторы исследования предлагают разбить процесс измерения на две стадии: на первой использовать термометр с низкой точностью, но широким диапазоном температур, чтобы грубо оценить температуру образца. Затем использовать более точный зонд, чтобы картировать небольшие вариации в разных точках образца.

Ученые отмечают, что их работа поможет исследователям точно понять, как они могут улучшить измерения температуры в своих экспериментах. Улучшение точности в измерениях температуры может пролить свет на такие проблемы, как рассеяние тепла в наноразмерных электронных схемах и тепловые процессы внутри клеток.