Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) han desarrollado un termómetro innovador que utiliza átomos elevados a niveles de energía extremos, logrando que estos sean mil veces más grandes que los átomos normales. Este nuevo instrumento permite medir la temperatura con una precisión notable, lo que podría transformar múltiples áreas, desde la investigación cuántica hasta la fabricación industrial.
A diferencia de los termómetros tradicionales, que requieren calibración previa en fábrica, el termómetro de Rydberg se basa en principios fundamentales de la física cuántica. Estos principios proporcionan mediciones precisas que son directamente trazables a estándares internacionales. «Estamos creando un termómetro que puede ofrecer lecturas de temperatura precisas sin las calibraciones habituales que requieren los termómetros actuales», explica Noah Schlossberger, investigador postdoctoral en NIST.
Una revolución en la medición de la temperatura
El estudio, publicado en la revista Physical Review Research, representa la primera medición exitosa de temperatura utilizando átomos de Rydberg. Para desarrollar este termómetro, los científicos llenaron una cámara de vacío con gas de átomos de rubidio y utilizaron láseres y campos magnéticos para atraparlos y enfriarlos a casi el cero absoluto, alrededor de 0.5 milikelvins. En este estado, los átomos prácticamente no se mueven. Posteriormente, emplearon láseres para elevar los electrones más externos de los átomos a órbitas muy altas, convirtiendo los átomos en entidades aproximadamente 1,000 veces más grandes que los átomos de rubidio convencionales.
En los átomos de Rydberg, el electrón más externo se encuentra alejado del núcleo, lo que lo hace más sensible a campos eléctricos y otras influencias, incluyendo la radiación de cuerpo negro, que es el calor emitido por los objetos circundantes. Esta radiación puede provocar que los electrones en los átomos de Rydberg salten a órbitas aún más elevadas. A medida que la temperatura aumenta, también lo hace la cantidad de radiación de cuerpo negro y la frecuencia de este proceso. De esta manera, los investigadores pueden medir la temperatura al rastrear estos saltos de energía a lo largo del tiempo.
Este enfoque permite detectar incluso los cambios de temperatura más sutiles. A diferencia de otros tipos de termómetros cuánticos, los termómetros de Rydberg pueden medir la temperatura de su entorno en un rango de aproximadamente 0 a 100 grados Celsius sin necesidad de contacto con el objeto que se mide.
Este avance no solo abre la puerta a una nueva clase de termómetros, sino que también es especialmente relevante para los relojes atómicos, ya que la radiación de cuerpo negro puede reducir su precisión. «Los relojes atómicos son extraordinariamente sensibles a los cambios de temperatura, que pueden provocar pequeños errores en sus mediciones», comenta Chris Holloway, científico investigador en NIST. «Esperamos que esta nueva tecnología pueda ayudar a que nuestros relojes atómicos sean aún más precisos».
Más allá de la ciencia de precisión, el nuevo termómetro podría tener aplicaciones diversas en entornos desafiantes, desde naves espaciales hasta plantas de fabricación avanzada, donde son esenciales lecturas de temperatura sensibles. Con este desarrollo, NIST continúa empujando los límites de la ciencia y la tecnología.
«Este método abre una puerta a un mundo donde las mediciones de temperatura son tan fiables como las constantes fundamentales de la naturaleza», añade Holloway. «Es un paso emocionante hacia adelante para la tecnología de sensores cuánticos».
