Główne pojęcia
本文展示了一種基於冷原子雷德堡態中黑體輻射誘導躍遷的原級量子溫度計,它能夠在約 100 GHz 頻率範圍內實現 SI 可溯源的溫度測量。
Streszczenie
書目資訊
Schlossberger, N., Rotunno, A. P., Eckel, S. P., Norrgard, E. B., Manchaiah, D., Prajapati, N., ... & Holloway, C. L. (2024). 透過冷原子雷德堡態中的誘導態轉移,對毫米波黑體輻射進行原級量子測溫。[預印本]。
研究目標
本研究旨在開發一種基於量子現象的新型原級溫度計,用於測量毫米波範圍內的黑體輻射溫度。
方法
研究人員利用冷銣-85 原子,並透過雙光子激發將其製備到雷德堡態。接著,他們追蹤由於黑體輻射引起的雷德堡態間的粒子數轉移,特別關注 32S 態到鄰近態(主要是 32P 態)的轉移,此過程對 130 GHz 頻率的黑體輻射敏感。透過選擇性場游離技術讀取雷德堡態的粒子數,並與理論模型進行比較,以確定環境溫度。
主要發現
- 研究人員成功地證明了利用冷原子雷德堡態中黑體輻射誘導躍遷進行溫度測量。
- 他們開發了一種理論模型,可以準確地再現觀測到的態轉移動力學。
- 他們證明該測量方法對溫度變化敏感,並在 3.3 分鐘內分辨出 1.5 K 的溫差。
主要結論
這項工作展示了一種基於冷原子雷德堡態的新型原級溫度計,它能夠在約 100 GHz 頻率範圍內實現 SI 可溯源的溫度測量。
意義
這項研究為開發基於量子現象的新型精密測溫技術開闢了道路,並可能對各個領域產生影響,包括計量學、基礎物理學和量子資訊科學。
局限性和未來研究
- 目前測量的不確定度 (3 K) 仍高於現有技術。
- 未來的工作將集中在提高測量靈敏度和降低系統誤差,以實現更高的準確度。
- 研究人員還計劃探索在其他頻率範圍內運作的類似測溫技術。
Statystyki
在 300 K 溫度下,130 GHz 躍遷頻率對應的黑體輻射能量密度比 30 THz 附近的峰值低約 2000 倍。
該系統對分數溫度不確定度的統計靈敏度為 0.09 Hz−1/2,相當於室溫下為 26 K·Hz−1/2。
作為原級溫度標準使用時,系統分數溫度不確定度經計算為 0.006,相當於室溫下為 2 K。
目前最先進的原子鐘黑體輻射表徵依賴於傳統的熱感測器,通常是放置在原子周圍環境中的鉑電阻溫度探測器 (RTD),其溫度不確定度約為 10 mK,由於黑體輻射引起的斯塔克位移,導致鐿的分數頻率不確定度約為 10−18。
Cytaty
「這項工作代表了在使用雷德堡原子作為在約 100 GHz 頻段運作的 SI 可溯源溫度感測器方面的第一步。」