Imagen: Calentamiento: los físicos tienen una nueva forma de
medición de la temperatura (Cortesía
iStockphoto / morpheusdog)
Un tipo especial de espectroscopia láser ha sido utilizado por los
investigadores en Australia para medir las velocidades de los átomos en el
vapor de cesio.
La técnica podría permitir a los investigadores inferir tanto la
temperatura del vapor como los tiempos de vida y energía en la separación de
los estados atómicos. También puede ser usado para medir la constante de
Boltzmann, ayudando así a redefinir el kelvin en relación con los procesos
físicos universales.
Hoy en día, la temperatura de un objeto tomada en grados kelvin se define en relación con el punto
triple del agua - el punto en el que existen hielo, líquido y vapor en
equilibrio. En 2018 el kelvin podría ser redefinido en términos de la
temperatura física subyacente, que es "fundamentalmente
una medida de la energía de los átomos y las moléculas en un objeto",
dice el experto en metrología Michael
de Podesta, del Laboratorio Nacional de Física en Teddington
del Reino Unido, "Vamos a
especificar un valor de la constante de Boltzmann, que es un cierto número de
julios por grado. Eso le dirá fundamentalmente que, si un objeto tiene esta
cantidad de energía de movimiento, a continuación, su temperatura es
esto."
Anchuras de transición
Varios grupos están tratando de medir la constante de Boltzmann en
diferentes sistemas. La mejor medida hasta la fecha tiene una
incertidumbre de menos de una parte por millón. Fue hecha en el año 2013 por un equipo dirigido por De
Podesta, quien utilizó la velocidad del sonido en el gas argón para deducir la
constante.
En la nueva investigación, un equipo de físicos en varias universidades
australianas utiliza una técnica diferente llamado termometría de ampliación-Doppler,
que depende de la anchura espectral de específicas transiciones atómicas.
Los investigadores se centraron en dos líneas de absorción en el
espectro de cesio, que corresponde a la misma transición atómica pero separados
por la constante de acoplamiento de los estados excitados. Estas líneas se
ampliaron por dos efectos fundamentales: la incertidumbre intrínseca de la
energía del estado según lo definido por el principio de incertidumbre de
Heisenberg - que conduce a una distribución de Lorentz - y el hecho de que, si
un átomo se mueve hacia o desde el láser, se ve un desplazamiento Doppler en la
frecuencia del láser. Este último efecto proporciona una variación de
Gauss en las frecuencias a las que responde el láser. Cuanto más caliente
esté la muestra se convierte, más rápido que las partículas que están en
movimiento, por lo que este desplazamiento Doppler se vuelve más importante y
los picos se vuelven más amplios. Mediante la medición de la relación
entre la anchura del pico y la temperatura, se puede deducir el valor de la
constante de Boltzmann.
Desviaciones distintas
Los investigadores utilizaron un gas de átomos de cesio de ultra-baja
densidad en una cámara de vacío y se sondearon con un láser de cavidad de
microondas estabilizado. Midieron la transmisión a través de la célula y
se registran las dos sallidas diferentes en las posiciones de las líneas de
absorción. Los libros de texto han modelado previamente el ancho de línea
como una simple combinación de distribuciones gaussianas y Lorentz, pero la
precisión de las mediciones de los investigadores revelaron desviaciones
pequeñas pero significativas de este modelo. Lo más notable, en el nivel
de cientos de partes por millón, eran desviaciones causadas por cambios en las
estadísticas de la población del gas de cesio por el láser. "Hay una analogía con las trampas de
velocidad", explica el miembro del equipo Tom
Stace de la Universidad de Queensland. "Estamos midiendo la velocidad de los
átomos con una técnica Doppler. Si nos fijamos en el tráfico sólo después de un
control de velocidad, los coches van todos un poco más lento de lo que lo
hubieran sido." A más, la corrección más pequeña surgió de
reflexiones inevitables dentro del láser, a lo que se le ha llamado etalones.
Después de haber corregido para estos efectos, los investigadores
extrajeron y separaron el componente gaussiano causado por la temperatura con
una precisión sin precedentes, produciendo una estimación de la constante de
Boltzmann coherente con otras mediciones que tiene una precisión de seis partes
por millón y una incertidumbre de 71 partes por millón.
Ellos están trabajando para mejorar más a fondo. También midieron
la constante de acoplamiento del estado con la incertidumbre más baja jamás
registrada. La incertidumbre más grande de las mediciones después de los
investigadores había realizado sus correcciones era el ancho de la contribución
de Lorentz causada por vida finita del estado. La capacidad de tomar esta
medida podría dar lugar a un método más preciso para el cálculo de esta vida. "Podemos encajar [el ancho de toda la
vida y la amplitud térmica] y obtener sus valores de forma independiente a
partir de una sola medida", dice el miembro del equipo de Andre Luiten.
De Podesta está impresionado, diciendo que el trabajo es importante para
la espectroscopia fundamental y porque "es
otra medida de la constante utilizando completamente diferente de la física de
Boltzmann". "No se ve como la incertidumbre será bastante ser lo
suficientemente baja para que la medida sea un contribuyente importante para el
valor final, pero se suma a la firmeza de las bases", dice.
La investigación se describe en Nature Communications.
Compilado de IOP Physicsworld - Autor:Tim
Wogan escritor basado en la ciencia en
el Reino Unido
Traducción
libre por SOCA
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