一组物理学家提出一个用量子温度计测量低温的办法，近期获得《物理评论快报》(Physical Review Letters)编辑的推荐。
太阳系温差范围示意图。这份由都柏林圣三一大学(Trinity College Dublin)、都柏林大学(UCD)和日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)合作的研究提出，为了测量超低温费米气体(Fermi gas)的温度，向气体中掺入另一种原子作为探测器，并与气体形成量子纠缠，通过测量掺入的原子即可准确测量气体的温度。科学家近年来在实验室创造出极低温的费米气体环境，用于研究各种物体在极端量子状态下的特性。主要研究者都柏林圣三一大学教授高尔德(John Goold)介绍说：“世界各地多个实验室都在创造低温气体环境，它们的用途很广泛，从检验基本物理理论到侦测引力波。它们的温度低到只有几个纳米开尔文。一开尔文是零下271.15摄氏度。这些气体的温度比外太空中最低温的地方更低几十亿倍，而它们却存在于地面的环境。”什么是费米气体?高尔德说：“宇宙中所有的粒子，包括原子，都是玻色子或费米子两种类型中的一种。费米气体就是由费米子组成的气体。在极低的温度下，玻色子和费米子的特性完全相反：玻色子喜欢聚集在一起，而费米子相反。这个特性使得测量它们(费米子)的温度很困难。”这份研究的第一作者米奇森(Mark Mitchison)解释说：“传统的办法是，从气体的密度推测超低温气体的温度。因为在低温下，原子没有足够的能量互相分开，导致气体密度增加。但是费米子即使在非常低的温度下，仍然处于分开的状态，所以在某个临界点，从费米气体的密度无法推测出气体的温度。”“所以，我们提出用另一种原子作为探测器。比如说我们要测量超低温锂原子构成的气体，我们将另一种原子，比如用钾原子浸入气体。钾原子与周围原子撞击的互动将改变钾原子的状态，我们就能探知气体的温度。具体地说，我们提出的方法还涉及到创造量子叠加态，让探测原子同时处于既与气体原子互动，又不与气体原子互动的状态。我们发现，这个叠加态的变化对温度非常敏感。”另一位研究者瓜尼里(Giacomo Guarnieri)打比方说，我们的温度计和传统温度计原理差不多，只是探测器用的不是汞柱，测量的是与量子气体纠缠的单个原子的状态。都柏林大学的坎贝尔(Steve Campbell)说，在近代层出不穷的量子技术中，像我们研究的量子感应器很可能会产生直接影响，是个很及时的研究成果。高尔德说：“实际上我们的研究得到推荐，其中一个原因是因为我们聚焦于几年前发表在《科学》期刊上的一项由奥地利科学家进行的实验，对此进行了计算和数字模拟。我们的研究里，费米气体是受困锂原子组成的稀薄气体，混入钾原子杂质，实验人员能够用射频脉冲控制其量子态，并测得气体的(温度)信息。这些操作在其它量子技术上已经很常用。”
