Fysiker från Trinity College Dublin har föreslagit en termometer baserad på kvantintrassling som exakt kan mäta temperaturer en miljard gånger kallare än de i yttre rymden.

Dessa extremt kalla temperaturer uppstår i moln av atomer, känd som Fermi-gaser, som är skapade av forskare för att studera hur materia beter sig i extrema kvanttillstånd.

Arbetet leddes av QuSys-teamet på Trinity med postdoktorer, Dr Mark Mitchison, Dr Giacomo Guarnieri och professor John Goold, i samarbete med professor Steve Campbell (UCD) och Dr. Thomas Fogarty och professor Thomas Busch som arbetar på OIST, Okinawa, Japan.

Deras resultat har precis publicerats som ett redaktörsförslag i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Diskutera förslaget, Professor Goold, chef för Trinitys QuSys-grupp, förklarar vad en ultrakall gas är. Han sa:

"Det vanliga sättet på vilket en fysiker tänker på en gas är att använda en teori som kallas statistisk mekanik. Denna teori uppfanns av fysikens jättar som Maxwell och Boltzmann på 1800-talet. Dessa killar återupplivade en gammal idé från de grekiska filosoferna att makroskopiska fenomen, som tryck och temperatur, kan förstås i termer av atomernas mikroskopiska rörelse. Vi måste komma ihåg att på den tiden, idén att materia var gjord av atomer var revolutionerande."

Han fortsatte:"I början av 1900-talet, en annan teori blev verklighet. Detta är kvantmekanik och det kan vara den viktigaste och mest korrekta teorin vi har inom fysiken. En berömd förutsägelse av kvantmekaniken är att enstaka atomer får vågliknande egenskaper, vilket innebär att de under en kritisk temperatur kan kombineras med andra atomer till en enda makroskopisk våg med exotiska egenskaper. Denna förutsägelse ledde till en hundraårig experimentell strävan att nå den kritiska temperaturen. Framgång nåddes slutligen på 90-talet med skapandet av de första ultrakalla gaserna, kylda med laser (Nobelpriset 1997) och fångade med starka magnetfält – en bedrift som vann Nobelpriset 2001."

Han tillade:"Ultra kalla gaser som dessa skapas nu rutinmässigt i laboratorier över hela världen och de har många användningsområden, allt från att testa grundläggande fysikteorier till att upptäcka gravitationsvågor. Men deras temperaturer är förbluffande låga vid nanokelvin och under! Bara för att ge dig en idé, en kelvin är -272,15 grader Celsius. Dessa gaser är en miljard gånger kallare än så - de kallaste platserna i universum och de skapas just här på jorden."

Så vad är egentligen en Fermi-gas? Han förklarar:"Alla partiklar i universum, inklusive atomer, finns i en av två typer som kallas 'bosoner' och 'fermioner'." En Fermi-gas består av fermioner, uppkallad efter fysikern Enrico Fermi. Vid mycket låga temperaturer, bosoner och fermioner beter sig helt olika. Medan bosoner gillar att klumpa ihop sig, fermioner gör tvärtom. De är de ultimata sociala distanserna! Denna egenskap gör faktiskt deras temperatur svår att mäta."

Dr Mark Mitchison, tidningens första författare, förklarar:"Traditionellt, temperaturen på en ultrakall gas härleds från dess densitet:vid lägre temperaturer har atomerna inte tillräckligt med energi för att spridas långt ifrån varandra, gör gasen tätare. Men fermioner håller alltid långt ifrån varandra, även vid extremt låga temperaturer, så någon gång säger tätheten hos en Fermi-gas dig ingenting om temperaturen. Istället, vi föreslog att använda en annan sorts atom som sond. Låt oss säga att du har en ultrakall gas gjord av litiumatomer. Du tar nu en annan atom, säg kalium, och doppa den i gasen. Kollisioner med de omgivande atomerna ändrar tillståndet för din kaliumsond och detta gör att du kan härleda temperaturen. Tekniskt talat, vårt förslag innebär att skapa en kvantsuperposition:ett konstigt tillstånd där sondatomen samtidigt gör och inte interagerar med gasen. Vi visade att denna superposition förändras över tiden på ett sätt som är mycket känsligt för temperatur."

Dr Giacomo Guarnieri ger följande analogi:"En termometer är bara ett system vars fysiska egenskaper förändras med temperaturen på ett förutsägbart sätt. Till exempel, du kan ta temperaturen på din kropp genom att mäta kvicksilvrets expansion i ett glasrör. Vår termometer fungerar på ett analogt sätt, men istället för kvicksilver mäter vi tillståndet för enskilda atomer som är intrasslade (eller korrelerade) med en kvantgas."

Professor Steve Campbell, UCD, anmärkningar:"Detta är inte bara en långtgående idé - det vi föreslår här kan faktiskt implementeras med hjälp av teknik som finns tillgänglig i moderna atomfysiklabbar. Att sådan grundläggande fysik kan testas är verkligen fantastiskt. Bland de olika framväxande kvantteknologierna, kvantsensorer som vår termometer kommer sannolikt att göra den mest omedelbara effekten, så det är ett lägligt arbete och det lyftes fram av redaktörerna för Physical Review Letters av den anledningen."

Professor Goold tillägger:"Faktum är att en av anledningarna till att denna artikel lyftes fram var just för att vi utförde beräkningar och numeriska simuleringar med särskilt fokus på ett experiment som utfördes i Österrike och publicerades för några år sedan i Vetenskap . Här är Fermi-gasen en utspädd gas av fångade litiumatomer som var i kontakt med kaliumföroreningar. Experimentalisterna kan kontrollera kvanttillståndet med radiofrekvenspulser och mäta information om gasen. Detta är operationer som rutinmässigt används i andra kvantteknologier. Tidsskalorna som är tillgängliga är helt enkelt fantastiska och skulle vara oöverträffade i traditionella fysikexperiment med kondenserad materia. Vi är glada över att vår idé att använda dessa föroreningar som en kvanttermometer med utsökt precision skulle kunna implementeras och testas med befintlig teknik."