据美国《科学日 》 站近日消息称，爱尔兰都柏林圣三一大学(Trinity College Dublin)、都柏林大学(UCD)和日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)的物理学家们提出了一种基于量子纠缠的温度计，该温度计可以精确测量比外太空温度低十亿倍的温度。
这些超冷温度出现在原子云(称为费米气体)中，费米气体是科学家创造的，用于研究物质在极端量子态下的行为。
Trinity QuSys小组负责人 John Goold教授在讨论该提案时，解释了什么是超冷气体。他说： “物理学家思考气体的标准方法是使用一种称为统计力学的理论。该理论是19世纪的麦克斯韦和玻尔兹曼等物理学巨人发明的。这些家伙复兴了希腊哲学家的古老观念。可以通过原子的微观运动来理解诸如压力和温度之类的宏观现象。我们需要记住，当时，由原子构成物质的想法是革命性的。”
“在20世纪初，另一种理论诞生了。这是量子力学，它可能是我们在物理学中拥有的最重要和最准确的理论。量子力学的一个著名预测是，单原子会获得波，像特征一样，这意味着在临界温度以下，它们可以与其他原子结合成具有奇特性质的单个宏观波。这一预测导致了长达一个世纪的实验性探索以达到临界温度。创造了第一批超冷气体，该气体经过激光冷却(1997年诺贝尔奖)并被强磁场捕获，这一壮举获得了2001年诺贝尔奖。”
“像这样的超低温气体现在在全世界的实验室中被常规生产，并且它们具有许多用途，从测试基本的物理理论到检测引力波。但是令人难以置信的是：它们的温度比开尔 温度还要低很多！开尔 温度为-271.15摄氏度，而这些气体的温度比开尔 温度低十亿倍！这种宇宙中最冷的温度，是在地球上产生的！”
太阳系温差范围示意图
那么费米气体到底是什么？他解释说：“宇宙中的所有粒子，包括原子，都属于“玻色子”和“费米子”两种类型之一。”费米气体包含费米子，以物理学家恩里科·费米命名。在非常低的温度下，玻色子和费米子的行为完全不同。玻色子喜欢聚在一起，而费米子则相反，它们始终维持着一定的“社交”距离！这种特性实际上使它们的温度难以测量。”
Trinity QuSys团队的另一位研究者 Giacomo Guarnieri博士给出了以下类比：“温度计只是一个系统，其物理特性会以可预测的方式随温度变化。例如，您可以通过测量玻璃管中汞的膨胀来测量身体的温度。量子温度计的工作方式类似，只是我们测量了与量子气体纠缠(或相关)的单个原子的状态。”
Goold教授补充说：“事实上，之所以强调该论 ，原因之一就是我们进行了计算和数值模拟，并且特别关注了奥地利几年前在《科学》杂志上发表的一项实验——将捕获的锂原子的稀薄气体与钾杂质接触。实验人员能够利用射频脉冲控制量子态，并测量出有关气体的信息。这些是其他量子技术中通常使用的操作。可访问的时间尺度简直是惊人的，并且在传统的凝聚态物理实验中将是前所未有的。我们很高兴我们的想法可以将这些杂质用作具有高精度的量子温度计，并且可以通过现有技术来实施和测试。”
参考 献 ：In Situ Thermometry of a Cold Fermi Gas via Dephasing Impurities, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.080402
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