基于量子力學(xué)的溫度計：可以在極低溫下工作，對被測物體無干擾

發(fā)布時間：2025-10-22閱讀(6)

溫度是一個物理量，它反映了物質(zhì)的熱運動狀態(tài)。溫度越高，物質(zhì)的分子或原子就越活躍；相反，溫度越低，物質(zhì)的分子或原子就越靜止。溫度是一個非常重要的參數(shù)，它影響著物質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)，比如導(dǎo)電性、磁性、相變等等。因此，測量溫度是物理學(xué)和工程學(xué)中的一個基本任務(wù)。

那么，我們怎么測量溫度呢？一般來說，我們需要一個溫度計，也就是一個能夠根據(jù)溫度變化而改變某些性質(zhì)的裝置。比如，我們常用的水銀溫度計就是利用水銀在不同溫度下膨脹或收縮的特性來顯示溫度的。

但是，這種傳統(tǒng)的溫度計有一個缺點，那就是它需要和被測物體接觸，從而影響被測物體的溫度。這在一些情況下是不可接受的，比如當(dāng)我們想要測量微觀尺度上的溫度分布時，或者當(dāng)我們想要測量極低溫下的熱傳導(dǎo)時。

為了解決這個問題，一些科學(xué)家提出了一種新穎的溫度計：量子溫度計。這種溫度計不需要和被測物體接觸，而是利用了量子力學(xué)中的一個概念：能級。能級是指量子系統(tǒng)可以存在的離散能量狀態(tài)，這些系統(tǒng)的能級之間的躍遷可以通過吸收或發(fā)射光子來實現(xiàn)，而光子的頻率或波長則決定了能級之間的能量差。因此，如果我們知道了一個量子系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)，我們就可以通過觀察它發(fā)射或吸收的光來推斷它的能量狀態(tài)。

那么，能量狀態(tài)和溫度有什么關(guān)系呢？根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個物理系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下，其能量會按照一定的概率分布在不同的能級上，而這個概率分布取決于系統(tǒng)的溫度。通常，我們用玻爾茲曼分布來描述這種情況，它告訴我們一個能級上的粒子數(shù)與該能級的能量和系統(tǒng)的溫度成反比。也就是說，溫度越高，高能級上的粒子數(shù)越多，反之亦然。因此，如果我們知道了一個量子系統(tǒng)在不同能級上的粒子數(shù)比例，我們就可以通過玻爾茲曼方程來計算出它的溫度。

這聽起來很簡單，但是實現(xiàn)起來并不容易。因為要做到這一點，我們需要滿足以下幾個條件：我們需要找到一個合適的量子系統(tǒng)，它具有兩個能級；我們需要將這個量子系統(tǒng)嵌入到一個透明或半透明的基底中，并且保證基底對光沒有吸收或散射；我們需要將這個嵌入了量子系統(tǒng)的基**成一個微小的探針，并且保證探針對被測物體沒有熱影響。

你可能會想，這些條件太苛刻了，怎么可能做到呢？事實上，在最近發(fā)表在PRX Quantum上的一篇論文中，科學(xué)家就做到了。他們使用了一種有機(jī)分子作為量子系統(tǒng)，這種分子叫做雙氰基苯基乙烯。這個分子可以被看作是一個兩能級系統(tǒng)，它只有基態(tài)和激發(fā)態(tài)兩種狀態(tài)。當(dāng)這個分子被激光照射時，它會從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，并在一段時間后自發(fā)地回到基態(tài)，并同時發(fā)射出一個光子。

然而，由于分子周圍的環(huán)境會對其產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致兩個能級之間的能量差會有一些變化，這就導(dǎo)致了光子波長的展寬。這種展寬可以用洛倫茲線型來描述，它告訴我們光子波長與兩個能級之間的躍遷速率成反比。也就是說，躍遷速率越快，光子波長越窄，反之亦然。

在極低溫下，分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的速率會變得非常慢，從而導(dǎo)致光子波長變得非常寬。相反，在較高溫度下，分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的速率會變得非?？?，從而導(dǎo)致光子波長變得非常窄。因此，如果我們知道了光子波長的展寬，我們就可以通過洛倫茲方程來計算出分子的躍遷速率，進(jìn)而通過玻爾茲曼方程來計算出分子的溫度。

他們將這種分子作為雜質(zhì)嵌入到一種叫做蒽的晶體中，蒽是一種透明的有機(jī)晶體，對光沒有吸收或散射。他們將這種含有分子的蒽晶體制成了直徑約為5微米的球形探針，并且將這些探針散布在一個懸浮的硅膜上。他們用一個激光來激發(fā)探針中的分子，并且用一個光譜儀來檢測探針發(fā)射的光。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探針的溫度變化時，探針發(fā)射的光的頻率也會變化，而且這種變化是非常明顯的。他們利用這種變化，就可以計算出探針的溫度，并且繪制出硅膜上的溫度分布圖。