توسعه‌ی دماسنج کوانتومی : دمای قهوه شرودینگر را اندازه‌ بگیرید

همواره در خوانش دما با دماسنج، عدم قطعیت وجود دارد که ناشی از افت و خیز اتم های جیوه‌ی دماسنج است. اکنون دانشمندان دانشگاه اکستر چارچوب نظری یک دماسنج کوانتومی را توسعه داده‌اند که می‌تواند اثرات کوانتومی را هم در اندازه گیری های خود لحاظ کند. نتیجه‌ی این پژوهش جالب در مجله‌ی برجسته Nature Communications منتشر شده است. با دی‍پ لوک همراه باشید…

رابطه‌ی عدم قطعیت جدیدی در دانشگاه اکستر کشف شده است که صحت و دقت دمایی که می‌توان اندازه‌گیری کرد را با مکانیک کوانتومی ارتباط می‌دهد. اگر شما دمای قهوه‌ی خود را با دماسنجی با دقت بالا اندازه گیری کنید به دمای ۹۰º با عدم قطعیت °۰.۵ می‌رسید. عدم قطعیت درخوانش دما ناشی از افت و خیز کمی است که در سطح جیوه به علت برخوردهای میکروسکوپی اتم های جیوه وجود دارد. وقتی سعی بر اندازه گیری دمای اجسام کوچکتر مانند ابزارهای نانو یا تک سلول‌ها داریم، قضیه جذاب‌تر می‌شود. در این حالت، برای اندازه‌گیری های دقیق نیاز به استفاده از دماسنج‌هایی کوچک در مقیاس نانو یا دماسنج کوانتومی داریم که تنها از چند اتم تشکیل‌شده‌اند.

گروهی از دانشمندان دانشگاه اکستر انگلیس، نظریه‌ی جدیدی توسعه داده‌اند که مشخصات دماسنج های کوچک و دقت قابل دست یافتنی نهایی آنها را تعیین می‌کند. این نظریه از این مسئله ناشی می‌شود که در موقعیت‌‌های معینی، عدم قطعیت در خوانش دما مستعد افت و خیزهای بیشتر است که از اثرات کوانتومی ناشی می‌شود. دماسنج کوانتومی می‌تواند در برهم‌ نهی دماهای مختلف (مثلا °۹۰.۵ و °۸۹.۵) باشد، مانند گربه شرودینگر که می‌تواند در برهم‌ نهی حالت‌های مرده و زنده باشد. هری میلر نویسنده‌ی اول مقاله توضیح می‌دهد:

علاوه بر نویزهای گرمایی که هنگام اندازه‌گیری دما وجود دارند، احتمال بودن در یک برهم نهی به این معنی است که افت و خیزهای کوانتومی بر اینکه ما چگونه دما را در مقیاس نانو مشاهده کنیم تاثیر می گذارند.

این کشف ، ارتباط جدیدی بین عدم قطعیت کوانتومی که از حالت‌های برهم نهی ناشی می‌شوند و دقت اندازه گیری دما ایجاد کرده است. این رابطه‌ی عدم قطعیت می‌تواند برای فیزیکدانان تجربی مفید باشد، زیرا آنها می‌توانند دماسنجی بهینه در مقیاس نانو یا دماسنج کوانتومی طراحی کنند که اثرات مکانیک کوانتومی را نیز لحاظ کند. آنها می‌گویند:

این کشف یک گام مهم در بسط مفاهیم و قوانین ترمودینامیک در مقیاس نانو است، جایی که فرضیات ماکروسکوپی ما درهم می شکند.