بر اساس آن‌چه تیمی از نظریه‌پردازان اعلام کرده‌اند٬ دقیق‌ترین دماسنج در ابعاد نانو  سیستمی کوانتومی است که از دو تراز انرژی تشکیل شده است. در حالت ایده‌ال٬ تنها یک حالت پایه‌ی کوانتومی با تراز انرژی پائین‌تر وجود دارد و حالات بسیاری با تراز‌های انرژی بالاتر وجود خواهند داشت. کاری که این تیم انجام داده‌ عبارت است از بهبود طراحی دماسنج‌های حساس که قادرند فیزیکِ در ابعاد نانوی اندرکنش‌های شیمایی و زیستی را کاوش کرده حرارت را در مدارهای الکترونیکی ردیابی کرده یا بر عملیات داخل سلول‌هایی که اهداف درمان‌های پزشکی هستند نظارت داشته باشد. آن‌ها با این پژوهش مرزهای فناوری اندازه‌گیری را تا درون سلول‌ها و مدارهای الکترونیکی ریز گسترش می‌دهند.

طی دو سال گذشته محققان موفق به توسعه‌ی دماسنج‌های کوانتومی شده‌اند. این دماسنج‌ها دماهای میلی‌کلوین را در طول‌ ناحیه‌هایی در ابعاد نانو اندازه می گیرند. آن‌ها این دماسنج‌ها را از تک نقاط کوانتومی (جزیره‌هایی از جنس نیم‌رسانا که در داخل جامد بزرگ‌تر از خود جای گرفته می‌گیرند) یا با ناخالصی‌هایی در درون نانوبلورهای الماس ساخته‌اند. به عنوان مثال این دماسنج‌ها دمای الکترون‌های نیم‌رسانا [1,2] و تغییرات دمایی را در داخل یک سلول زنده [3] اندازه می‌گیرد. بر اساس این فناوری در اغلب٬ ابتدا دماسنج در دمای نمونه‌ی موردنظر قرار می‌گیرد سپس اندازه‌گیری دقیق طیف دمایی یا آشکارسازی فلورسانس وابسته به دمای آن انجام می‌شود.

این پژوهش‌های تجربی سوالاتی را در مورد نهایتِ دقت این دماسنج‌ها و این‌که چه نوع ماده‌ای باعث ایده‌آل شدن دماسنج‌های در ابعاد نانو می‌شود را برمی‌انگیزد. آنا سانپرا (Anna Sanpera) و همکارانش از دانشگاه ایالتی بارسلونا در اسپانیا و جریدو آدیسو (Gerardo Adesso) از دانشگاه ناتینگهام انگلستان معتقدند که پاسخ‌هایی برای این پرسش‌ها دارند. آن‌ها از یک رهیافت نظری استفاده کرده‌اند تا ابزارهای ریاضی مکانیک کوانتومی را با ترمودینامیک بیامیزند.

آن‌طور که لوئیس کوریا (Luis Correa) از اعضای تیم بارسلونا می‌گوید: «در نهایت آن‌چه باید برای تخمین‌زدن دما اندازه ‌بگیریم ارتباط نزدیکی با انرژی دماسنج دارد». این تیم نشان داده‌ که حساس‌ترین دماسنج در ابعاد اتمی بزرگ‌ترین ظرفیت گرمایی را خواهد داشت. و این یعنی تغییرات کوچک در دمای محیط تاثیر زیادی بر انرژی دماسنج خواهد داشت.

این تیم به شکل ریاضی ظرفیت گرمایی را بیشینه‌ ساخته و موفق شدند عبارتی را برای بیشینه حساسیت یک دماسنج در ابعاد نانو بدست آورند. این حساسیت به ترکیب‌بندی سطح انرژی دماسنج و تعداد حالات کوانتومی قابل دسترس بستگی دارد. به عنوان مثال دماسنج نانوالماس که در آزمایش‌ها مورد استفاده قرار گرفته یک تک‌حالت پایه و دو حالت برانگیخته با انرژی‌های یکسان دارد. این تیم پژوهشی دریافتند که دقیق‌ترین دماسنج٬ سیستمی است با دو تراز انرژی (شبیه نانوالماس) که انرژی بالاتر از دو حالت برخوردار نیست بلکه در عوض تعداد زیادی از حالات را شامل می‌شود.

با این حال پژوهش‌گران توافق و سازشی مابین دقت یک دماسنج و محدوده‌ی دماهایی که می‌تواند عمل کند را یافته‌اند. افزایش تعداد حالات برانگیخته دقت را بالا می‌برد اما این کار گستره‌ی دماهایی که دماسنج در آن با بیشینه راندمان عمل می‌کند را باریک‌تر می سازد.

به پیشنهاد این تیم ابتدا آزمایشگر می‌تواند از یک دماسنج با دقت پائین (اما با گستره‌ی دمایی بزرگ‌تر) استفاده کند تا بتواند به شکل تقریبی دمای نمونه‌ی موردنظر را تعیین کند. پس از آن می‌توان پشت‌سرهم از دماسنج‌های دقیق‌تری استفاده کرد که در دماهای مختلف عمل می‌کنند (مثلاً در یک مدار یا سلول) و به این طریق از تغییرات دمایی کوچک‌تر در طول مناطق مختلف از نمونه تصویرسازی می‌شود.      

ممکن است تماس‌دادن دماسنج به شکل کامل با نمونه امکان‌پذیر نباشد (به عنوان مثال به موجب افت‌وخیزهای دمایی در طول زمان). در این مورد محققان دریافتند که اگر یک دماسنج با دو تراز انرژي از دمای بسیار سردی شروع بکار کند و بنابراین در حالت پایه‌ی خود (یا نزدیک به حالت پایه‌ی خود) قرار گرفته باشد قبل از تماس با نمونه بهترین دقت را بدست می‌دهد. در یک زمان محدود آن‌ها همچنین نشان دادند که کاوشکر موردنظر بایستی تاحد امکان با چرخه‌های متعددی از سردسازی و اتصال مجدد با نمونه مورد آزمون قرار گیرد.

به بیان کوریا این پژوهش به محققان کمک خواهد کرد تا بدانند تحت چه شرایطی می‌توانند آزمایش‌شان را بهبود بخشند. دقتِ بهبودیافته در اندازه‌گیری‌های دمایی می‌تواند مشکلاتی از قبیل اتلاف گرمایی در مدارهای نانومقیاس و فرآیندهای حرارتی در داخل سلول‌ها را مرتفع سازد.

به بیان مارتین کرونر (Martin Kroner) یک فیزیک‌دان کوانتومی تجربی از موسسه‌ی فدرال فناوری سوئیس (ETH) در زوریخ٬ این چهارچوب نظری یک «گام مهم به سوی توسعه و استفاده از دماسنج‌های قابل اطمینان بر پایه‌ی اثرات کوانتومی است». به گفته‌ی وی اکنون پژوهش‌گران فناوری‌هایی دارند که با استفاده از آن‌‌ها به دماهای پائینی دست می‌یابند که برای مشاهده‌ی پدیده‌های کوانتومی ضروری است. اما این نتایج جدید موضوع دیگری را مخاطب قرار می‌دهد و آن «مسئله‌ی بسیار دشوار» اندازه‌گیریِ دماهای دقیق چنان سیستم‌هایی‌ است.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده اشت.  

مرجع‌ها:

1.       F. Seilmeier, M. Hauck, E. Schubert, G. J. Schinner, S. E. Beavan, and A. Högele, “Optical Thermometry of an Electron Reservoir Coupled to a Single Quantum Dot in the Millikelvin Range,” Phys. Rev. Applied2, 024002 (2014)

2.       Florian Haupt, Atac Imamoglu, and Martin Kroner, “Single Quantum Dot as an Optical Thermometer for Millikelvin Temperatures,” Phys. Rev. Applied 2, 024001 (2014)

3.       G. Kucsko, P. C. Maurer, N. Y. Yao, M. Kubo, H. J. Noh, P. K. Lo, H. Park, and M. D. Lukin, “Nanometre-scale thermometry in a living cell,” Nature 500, 54 (2013)

درباره‌ی نویسنده:

تاملا میسیل (Tamela Maciel) کارورز نویسندگیِ علمی در جامعه‌ی فیزیک آمریکاست.

منبع:

Recipe for a Quantum Thermometer