Физики из Тринити-колледжа в Дублине предложили термометр, основанный на квантовой запутанности. Он может точно измерять температуру в миллиард раз холоднее, чем в открытом космосе. Работой руководила команда QuSys в Trinity в сотрудничестве с международной группой ученых. Их результаты были опубликованы в качестве в журнале Physical Review Letters.

Такие сверхнизкие температуры возникают в облаках атомов, известных как газы Ферми. Они созданы для изучения поведения вещества в экстремальных квантовых состояниях. Профессор Гулд, глава группы QuSys компании Trinity, объясняет, что такое сверххолодный газ.

Стандартный способ, которым физики думают о газе, — это использовать теорию, известную как статистическая механика. Но с появлением квантовой механики все изменилось. Известное предсказание квантовой механики состоит в том, что отдельные атомы ниже критической температуры могут объединяться с другими атомами в единую макроскопическую волну с экзотическими свойствами. Это предсказание привело к столетнему экспериментальному поиску достижения критической температуры. Успех был наконец достигнут в 90-х годах при создании первых сверххолодных газов, охлаждаемых лазерами (Нобелевская премия 1997 года) и удерживаемых сильными магнитными полями — подвиг, получивший Нобелевскую премию в 2001 году, – профессор Гулд, глава группы QuSys компании Trinity.

Ультрахолодные газы, подобные этим, теперь обычно создаются в лабораториях по всему миру. У них есть множество применений, начиная от проверки фундаментальных физических теорий и заканчивая обнаружением гравитационных волн. Но их температуры невероятно низкие на уровне нанокельвина и ниже (один кельвин равен –271,15 °C). Эти газы в миллиард раз холоднее, чем самые холодные места во Вселенной, и они создаются прямо здесь, на Земле.

Так что же такое ферми-газ? Все частицы во Вселенной, включая атомы, относятся к одному из двух типов — «бозонам» и «фермионам». Ферми-газ состоит из фермионов, названных в честь физика Энрико Ферми. При очень низких температурах бозоны и фермионы ведут себя совершенно по-разному. В то время как бозоны группируются вместе, фермионы — наоборот. Это свойство фактически затрудняет измерение их температуры.

Термометр — это просто система, физические свойства которой изменяются в зависимости от температуры предсказуемым образом. Например, вы можете измерить температуру своего тела, измерив расширение ртути в стеклянной трубке. Новый термометр работает аналогичным образом, но вместо ртути ученые измеряют состояние отдельных атомов, которые связаны (или коррелированы) с квантовым газом.

Новое решение может быть реализовано с использованием технологий, доступных в современных лабораториях атомной физики. То, что такую фундаментальную физику можно проверить, действительно удивительно, подчеркивают ученые. Различные появляющиеся квантовые технологии, квантовые датчики, такие как новый термометр, вероятно, окажут самое непосредственное влияние на науку.