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Metrologie: Aufgeblähte Atome werden zum Quantenthermometer

Mit riesenhaft vergrößerten Atomen lassen sich Temperaturen präzise messen. Die neue Technik beruht allein auf quantenmechanischen Prinzipien und registriert die Wärmestrahlung der Umgebung.
Atom mit Elektronen (Symbolbild)
Mit Lasern lassen sich Atome stark aufblasen. Dann reagieren sie besonders empfindlich auf elektromagnetische Strahlung und andere Umgebungseinflüsse.

Mit tausendfach vergrößerten, so genannten Rydberg-Atomen lassen sich Temperaturen relativ genau messen. Das hat ein Team des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA gezeigt. Die neue Technik registriert die Wärmestrahlung der Umgebung und ist damit nicht nur berührungsfrei, sondern braucht auch keine Kalibrierung, weil sie allein auf quantenmechanischen Prinzipien beruht.

Die Fachleute der US-Forschungseinrichtung für Metrologie kühlten zunächst Rubidiumatome auf extrem niedrige Temperaturen ab – auf gerade einmal 0,5 Millikelvin, das heißt knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Anschließend regten sie die Atome mit Lasern an. Dadurch gelangten die äußersten Elektronen in enorm große Abstände zum Kern.

In diesem aufgeblasenen Zustand reagieren die Atome sehr empfindlich auf Einflüsse aus der Umgebung. Dazu gehört auch Wärmestrahlung, die alle Gegenstände aussenden. Wenn diese auf die Rydberg-Atome trifft, schlägt sich das in messbaren Frequenzänderungen der Quantenübergänge nieder. Das hatten drei Forscher aus Russland und den USA bereits im Jahr 2011 theoretisch vorhergesagt. Die Gruppe vom NIST hat das Prinzip nun erstmals praktisch umgesetzt, wie sie in ihrer Veröffentlichung vom Januar 2025 ausführt.

Das Team heizte die Vakuumkammer, in der sich die gekühlten Rydberg-Atome befanden, gezielt auf verschiedene Temperaturen und maß jeweils die Wärmestrahlung, die von außen auf die Atome traf. Mit dieser Methode konnte das Team die Temperatur immerhin auf 0,6 Prozent genau bestimmen, was bei Raumtemperatur zwei Kelvin entspricht. Mit weiteren Verbesserungen könnte sich die Technik als empfindlicher Quantensensor überall dort einsetzen lassen, wo es auf präzise und berührungsfreie Temperaturmessungen ankommt, von Atomuhren bis zu Raumsonden.

  • Quellen
Physical Review Research 10.1103/PhysRevResearch.7.L012020, 2025

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