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這是使用里德伯原子測量溫度的實驗室裝置，其中發(fā)光的紅色球體為該裝置中使用的大約100萬個銣原子組成的云團。圖片來源：美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院科學(xué)家利用一種巨大的里德伯原子，研制出新型量子溫度計。通過監(jiān)測這些巨大原子與環(huán)境中熱量之間的相互作用，他們獲得了非常精確的溫度測量結(jié)果。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《物理評論研究》雜志。

高激發(fā)原子是一個價電子被激發(fā)到高量子態(tài)（主量子數(shù)n很大）的原子，也被稱為里德伯原子。為制造精確的溫度計，研究團隊在真空室中充入銣原子氣體，隨后使用激光和磁場將其捕獲并冷卻到接近絕對零度。然后，他們再使用激光，讓原子最外層的電子躍升至非常高的能量軌道，得到的里德伯原子比普通銣原子大1000倍。

里德伯原子最外層電子遠離原子核，使其對電場和外部干擾更敏感。這些影響包括黑體輻射，即周圍物體發(fā)出的熱量。黑體輻射會導(dǎo)致里德伯原子內(nèi)的電子躍遷到更高的能量軌道。由于溫度升高會增加環(huán)境黑體輻射數(shù)量以及電子躍遷速率，通過跟蹤這些隨時間變化的能量躍遷就可以測量溫度。

這種方法可以檢測到最微小的溫度變化，且無需接觸被測物體即可測量，測量范圍為0至100攝氏度。這一突破有望提升原子鐘精度，因為原子鐘對溫度變化非常敏感，微小的溫度變化都會導(dǎo)致誤差。

與傳統(tǒng)溫度計不同，新研制的溫度計基于量子物理學(xué)的基本原理，不需要像其他溫度計那樣進行常規(guī)校準(zhǔn)，即可提供精確的符合國際標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果。除應(yīng)用于精密科學(xué)領(lǐng)域，新型溫度計還可以在航天器、先進制造廠內(nèi)大顯身手。