Termómetro de átomos: físicos logran medir la temperatura sin calibración

Los científicos han encontrado una forma de medir la temperatura utilizando las propiedades cuánticas de los átomos. Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU. (NIST) han desarrollado un termómetro inusual que no necesita calibración, a diferencia de todos los dispositivos existentes. El método se basa en el hecho de que los átomos de Rydberg, preparados de manera especial, captan la radiación térmica de los objetos calientes. Gracias a que los electrones en estos átomos se encuentran en un estado excitado particular, se logra una precisión excepcional: el error sistemático de las mediciones es de solo una dosmilésima.

Actualmente, tanto en los laboratorios como en la vida cotidiana, la temperatura se mide comparando las lecturas con un estándar. Noah Schlossberger, del NIST, explica que incluso los sensores de temperatura más avanzados, que detectan la radiación mediante fotodiodos, requieren calibración. Normalmente, se usa una superficie con una temperatura conocida, medida con un termómetro de contacto. Pero este termómetro también necesita verificación, comparando sus lecturas con otro dispositivo. Así se construye una cadena de comparaciones que, en última instancia, remonta su referencia a un estándar primario en el NIST o en otro centro metrológico. En cada paso, pueden producirse imprecisiones.

El nuevo método permite medir directamente la radiación de cuerpo negro de un objeto, es decir, la radiación cuyo espectro define de manera inequívoca su temperatura. En este caso, los propios átomos sirven como referencia. Este sensor no necesita calibración, ya que, según la mecánica cuántica, todos los átomos de un mismo tipo poseen propiedades idénticas.

En el experimento, los físicos utilizaron una forma especial de materia: los átomos de Rydberg. Cuando las capas electrónicas de estas partículas entran en estado excitado, su tamaño aumenta considerablemente y su vínculo con el núcleo se debilita. Esto los hace extremadamente sensibles a los factores externos. Inicialmente, el equipo investigaba cómo usar los átomos de Rydberg para detectar campos electromagnéticos. Sin embargo, según el líder del proyecto, Christopher Holloway, pronto descubrieron que también son "excepcionalmente sensibles a la radiación de cuerpo negro".

El centro del experimento es una trampa magneto-óptica situada dentro de una cámara de vacío llena de vapor puro de rubidio. Cada 300 milisegundos, los científicos introducen una nueva porción de átomos de rubidio en la trampa y los enfrían hasta aproximadamente un milikelvin. Luego, mediante láseres, excitan las partículas desde el nivel energético 5S hasta el estado de Rydberg 32S.

En la siguiente fase del experimento, las partículas tienen unos 100 microsegundos para absorber la radiación de cuerpo negro de los objetos circundantes. Durante este tiempo, parte de la materia en el estado 32S cambia sus características. A continuación, los investigadores generan un fuerte campo eléctrico, aumentando gradualmente su intensidad hasta ionizar la sustancia.

Cuanto mayor es el estado energético de una partícula, más rápidamente el campo eléctrico arranca sus electrones. Por lo tanto, los electrones de distintas partículas llegan al detector en momentos diferentes. Analizando el tiempo de llegada de los electrones, los científicos determinan cuántas partículas estaban en cada nivel energético. A partir de estos datos, se calcula la temperatura del objeto en estudio.

El error sistemático relativo de las mediciones fue de 0.006, lo que equivale a aproximadamente 2 kelvins a temperatura ambiente. A primera vista, esta precisión parece inferior a la de los termómetros comerciales, pero es importante entender que el nuevo método mide la temperatura absoluta, no la relativa.

El sistema desarrollado podría aplicarse en los relojes ópticos, donde el ruido térmico de fondo afecta significativamente la precisión. Actualmente, los científicos deben realizar múltiples mediciones termométricas para comprender cómo la radiación de cuerpo negro impacta en los relojes sin alterar su funcionamiento.

Según Schlossberger, para integrar este método en la cronometraje óptico solo se necesitaría un láser adicional. Este generaría estados de Rydberg directamente dentro del mecanismo del reloj. La principal ventaja es que la estructura básica permanecería inalterada, ya que el nuevo sistema utiliza el mismo equipo. Esto permitiría medir la radiación exactamente en el punto donde afecta la precisión del cronómetro.