새로운 원자 기반 온도계는 온도를 보다 정확하게 측정한다

국립표준기술원(NIST)의 과학자들은 원자를 너무 높은 에너지 수준으로 증폭시켜 정상보다 1,000배 더 큰 새로운 온도계를 만들었습니다. 이 거대한 "리드버그" 원자가 주변 환경의 열과 어떻게 상호 작용하는지 모니터링함으로써 연구자들은 놀라울 정도로 정확하게 온도를 측정할 수 있습니다. 이 온도계의 감도는 양자 연구에서 산업 제조에 이르기까지 다양한 분야에서 온도 측정을 개선할 수 있습니다.

전통적인 온도계와 달리 리드버그 온도계는 양자 물리학의 기본 원리에 본질적으로 의존하기 때문에 공장에서 먼저 조정하거나 교정할 필요가 없습니다. 이러한 근본적인 양자 원리는 국제 표준에 직접 추적할 수 있는 정확한 측정값을 제공합니다.

NIST 박사후 연구원인 노아 슐로스버거는 "우리는 현재 온도계에 필요한 일반적인 보정 없이 정확한 온도 측정값을 제공할 수 있는 온도계를 만들고 있습니다."라고 말했습니다.

온도 측정의 혁신

Physical Review Research 에 게재된 이 연구는 리드버그 원자를 사용한 최초의 성공적인 온도 측정입니다. 이 온도계를 만들기 위해 연구자들은 진공 챔버에 루비듐 원자 가스를 채우고 레이저와 자기장을 사용하여 원자를 포획하고 절대 영도에 가까운 0.5밀리켈빈(1도의 천분의 일)까지 냉각했습니다. 이는 원자가 본질적으로 움직이지 않는다는 것을 의미합니다. 그런 다음 레이저를 사용하여 원자의 가장 바깥쪽 전자를 매우 높은 궤도로 끌어올려 원자를 일반 루비듐 원자보다 약 1,000배 더 크게 만들었습니다.

리드버그 원자에서 가장 바깥쪽 전자는 원자의 핵에서 멀리 떨어져 있어 전기장 및 기타 영향에 더 민감하게 반응합니다.

여기에는 주변 물체에서 방출되는 열인 흑체 복사가 포함됩니다. 흑체 복사는 리드버그 원자의 전자가 더 높은 궤도로 점프하게 할 수 있습니다. 온도가 상승하면 주변 흑체 복사의 양과 이 과정의 속도가 증가합니다. 따라서 연구자는 시간이 지남에 따라 이러한 에너지 점프를 추적하여 온도를 측정할 수 있습니다.

이 접근 방식은 가장 사소한 온도 변화도 감지할 수 있게 했습니다. 다른 유형의 양자 온도계가 있지만, 리드버그 온도계는 측정 대상을 만지지 않고도 약 0도에서 100도 섭씨까지 주변 온도를 측정할 수 있습니다.

이 획기적인 발전은 새로운 종류의 온도계를 만드는 길을 열었을 뿐만 아니라, 흑체 복사가 원자 시계의 정확도를 떨어뜨릴 수 있기 때문에 특히 중요한 의미를 갖습니다.

NIST 연구 과학자 크리스 홀로웨이는 "원자 시계는 온도 변화에 매우 민감하여 측정에 작은 오류가 발생할 수 있습니다."라고 말했습니다. "이 새로운 기술이 원자 시계를 더욱 정확하게 만드는 데 도움이 되기를 바랍니다."

새로운 온도계는 정밀 과학 분야를 넘어, 민감한 온도 판독이 필수적인 우주선부터 첨단 제조 공장에 이르기까지 까다로운 환경에서 광범위하게 응용될 수 있습니다.

이러한 발전을 통해 NIST는 과학과 기술의 경계를 계속 넓혀가고 있습니다.

"이 방법은 온도 측정이 자연의 기본 상수만큼 신뢰할 수 있는 세계로 가는 문을 열어줍니다."

홀로웨이가 덧붙였습니다. "양자 감지 기술에 있어서 흥미로운 진전입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250129194600.htm