Nuovo Termometro a Base Atomica: Misurazioni della Temperatura Più Accurate che Mai

Nel campo delle misurazioni scientifiche, ogni nuovo passo è significativo, ma quando riguarda la precisione a livelli straordinari, l'impatto è ancora più rilevante. Un esempio di questo progresso arriva dai ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), che hanno sviluppato un nuovo tipo di termometro basato sugli atomi. Questo dispositivo potrebbe cambiare il nostro approccio alla misurazione della temperatura.

Il cuore della novità è rappresentato dagli atomi di Rydberg, atomi eccitati che raggiungono dimensioni fino a mille volte più grandi rispetto agli atomi tradizionali. Grazie a questa caratteristica, i ricercatori sono riusciti a ottenere misurazioni della temperatura con una precisione mai vista prima, senza bisogno delle calibrazioni tradizionali. È, in pratica, un salto quantico nel campo delle misurazioni termiche.

Misurazioni Senza Necessità di Calibrazione A differenza dei termometri tradizionali, che richiedono regolazioni e calibrazioni continue, questo nuovo strumento non ha bisogno di alcuna adattamento prima dell'uso. Ciò è possibile grazie all'impiego della fisica quantistica, che rende la misurazione estremamente precisa in modo naturale e tracciabile agli standard internazionali.

“Noi stiamo creando un termometro in grado di fornire misurazioni precise senza le regolazioni necessarie per gli strumenti tradizionali,” spiega Noah Schlossberger, ricercatore post-dottorato al NIST.

Un Passo Avanti nelle Misurazioni di Temperatura Il risultato, pubblicato su Physical Review Research , segna il primo successo in assoluto per le misurazioni della temperatura basate su atomi di Rydberg. I ricercatori hanno riempito una camera a vuoto con gas di atomi di rubidio, che sono stati poi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, circa 0,5 millikelvin, grazie all'uso di laser e campi magnetici. A questa temperatura, gli atomi sono praticamente immobili. Successivamente, i laser hanno eccitato gli elettroni esterni degli atomi, portandoli a orbite molto più lontane dal nucleo, aumentando le dimensioni degli atomi di ben mille volte.

In questa fase, gli atomi di Rydberg diventano particolarmente sensibili ai campi elettrici e alle radiazioni, inclusa quella proveniente dal corpo nero, ovvero il calore emesso dagli oggetti circostanti. Con l’aumento della temperatura, cresce la quantità di radiazione emessa e la velocità con cui gli elettroni saltano a orbite sempre più distanti. Così, i ricercatori sono riusciti a monitorare anche i più piccoli cambiamenti di temperatura.

Applicazioni nella Scienza Quantistica e Oltre Questo termometro ha il vantaggio di poter misurare temperature da 0 a 100 gradi Celsius senza entrare in contatto fisico con l'oggetto, una caratteristica che apre a numerose applicazioni, sia nella ricerca scientifica che in settori come la manifattura avanzata. Un’altra applicazione fondamentale riguarda i orologi atomici, strumenti estremamente sensibili ai cambiamenti di temperatura, che potrebbero migliorare enormemente la loro precisione grazie a questa nuova tecnologia.

“Gli orologi atomici sono sensibili alle variazioni di temperatura, il che può introdurre piccoli errori nelle loro misurazioni. Speriamo che questa tecnologia possa contribuire a rendere queste misurazioni ancora più precise,” afferma Chris Holloway, scienziato di ricerca del NIST.

Questa scoperta non riguarda solo il progresso della ricerca, ma potrebbe anche rappresentare una soluzione importante per applicazioni più pratiche, come in ambito spaziale o in ambienti industriali dove misurazioni termiche precise sono essenziali.

Verso il Futuro della Tecnologia Quantistica Il NIST, con questa innovazione, continua a spingere i confini della scienza. “Questa tecnologia apre a un futuro in cui le misurazioni della temperatura sono affidabili come le costanti fondamentali della natura. È un passo fondamentale per la tecnologia del sensing quantistico,” conclude Holloway.

Paper: Primary quantum thermometry of mm-wave blackbody radiation via induced state transfer in Rydberg states of cold atoms

Glossario Atomi di Rydberg : Atomi che hanno un elettrone esterno eccitato in un’orbita molto più lontana dal nucleo rispetto agli atomi ordinari, rendendoli sensibili a radiazioni elettromagnetiche. Corpo Nero : Un oggetto che assorbe tutta la radiazione che lo colpisce, emettendo radiazioni in base alla temperatura. Clocks Atomiche : Orologi che utilizzano transizioni energetiche negli atomi per misurare il tempo con una precisione estremamente alta. [ppie] copertina : By monitoring how giant Rydberg atoms interact with heat in their environment, Noah Schlossberger and colleagues can measure temperature with remarkable accuracy. Credit: R. Jacobson/NIST[/ppie]

[ppie]Laboratory setup for using giant “Rydberg” atoms to measure temperature. The glowing red orb shows the cloud of approximately one million rubidium atoms used in the setup. Credit: N. Schlossberger/NIST[/ppie]