Termômetro atômico mede temperatura com mais precisão e sem contato

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/03/2025

Diagrama do termômetro de Rydberg.
[Imagem: Noah Schlossberger et al. - 10.1103/PhysRevResearch.7.L012020]

Revolucionando a medição de temperatura

Já temos termômetros capazes de medir a febre de uma célula e até menores, termômetros que medem a temperatura de objetos em nanoescala.

Mas Noah Schlossberger e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA estavam mais preocupados com a precisão.

Eles então criaram um novo termômetro usando átomos levados a níveis de energia tão altos que eles se tornam mil vezes maiores do que o normal. Ao monitorar como esses gigantescos átomos de Rydberg interagem com o calor em seu ambiente, torna-se possível medir a temperatura com uma precisão impressionante.

Esta é a primeira medição de temperatura bem-sucedida usando átomos de Rydberg.

A sensibilidade do termômetro atômico promete melhorar as medições de temperatura em campos que vão da pesquisa quântica à fabricação industrial.

E há outras vantagens imbatíveis. Diferentemente dos termômetros tradicionais, um termômetro Rydberg não precisa ser ajustado ou calibrado na fábrica porque ele depende inerentemente dos princípios básicos da física quântica. E esses princípios quânticos fundamentais produzem medições precisas que também são diretamente rastreáveis aos padrões internacionais de unidades.

A coisa real não é tão entusiasmante, com o ponto vermelho brilhante mostrando a nuvem de aproximadamente um milhão de átomos de rubídio usados para criar o termômetro.
[Imagem: N. Schlossberger/NIST]

Termômetro de Rydberg

Para criar o termômetro, os pesquisadores encheram uma câmara de vácuo com um gás de átomos de rubídio e usaram lasers e campos magnéticos para prendê-los e resfriá-los até perto do zero absoluto, em torno de 0,5 milikelvin (milésimos de grau). Isso significa que os átomos estavam essencialmente parados.

Usando lasers, os elétrons mais externos dos átomos foram energizados para se elevarem até órbitas muito altas, tornando os átomos aproximadamente 1.000 vezes maiores do que os átomos de rubídio comuns - este é um átomo de Rydberg.

Nos átomos de Rydberg, o elétron mais externo está longe do núcleo, o que o torna mais responsivo a campos elétricos e outras influências, incluindo a radiação de corpo negro, o calor convencional emitido pelos objetos.

E a energia da radiação de corpo negro pode fazer com que elétrons nos átomos de Rydberg saltem para órbitas ainda mais altas. Como temperaturas mais altas aumentam a quantidade de radiação de corpo negro ambiente e a taxa desse processo, torna-se possível medir a temperatura rastreando esses saltos de energia ao longo do tempo.

Essa abordagem permitiu a detecção até mesmo das menores mudanças de temperatura. Embora existam outros tipos de termômetros quânticos, os termômetros de Rydberg podem medir a temperatura do ambiente de cerca de 0 a 100 graus Celsius sem precisar tocar no objeto que está sendo medido.

Relógios atômicos e naves espaciais

Esta inovação não apenas abre caminho para uma nova classe de termômetros, como também é particularmente significativa para os relógios atômicos, uma vez que a radiação do corpo negro pode reduzir sua precisão.

"Relógios atômicos são excepcionalmente sensíveis a mudanças de temperatura, o que pode causar pequenos erros em suas medições," disse o professor Chris Holloway. "Estamos esperançosos de que essa nova tecnologia possa ajudar a tornar nossos relógios atômicos ainda mais precisos."

Além da ciência de precisão, o novo termômetro também poderá ter aplicações abrangentes em ambientes complicados, desde naves espaciais até plantas industriais avançadas, onde leituras sensíveis de temperatura são essenciais.

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