對于某一組理論學家來說，可能最準確的納米級溫度計就是量子雙態(tài)系統(tǒng)了。在理想狀態(tài)下，這個系統(tǒng)存在一個基態(tài)以及一些能量高一些的激發(fā)態(tài)。這個小組的理論學家從理論上確定了我們的實驗人員在測量溫度時所能達到的極限。他們的工作或許能推動精密溫度計的設(shè)計，人們可以利用這種精密溫度計測量化學與生物反應之中的物理過程，追蹤電路中的溫度，或者監(jiān)控醫(yī)療過程中針對細胞的操作。
       在過去的兩年中，研究人員發(fā)展出了一種量子溫度計，可以測量出納米尺度下mK級別的溫度變化。他們利用固體中單個半導體量子點制備出了這種量子溫度計，簡單說來，就是 利用金剛石納米晶體中的雜質(zhì)。人們已經(jīng)使用這種溫度計測量出了半導體中電子的溫度和活細胞內(nèi)部的溫度變化。第一種技術(shù)已經(jīng)能夠讓溫度計在樣品中取得熱平衡，并精確測量樣本的溫度譜或探測熒光譜線與溫度的關(guān)系。
       這一實驗工作催生出了一些問題，其中包括怎樣優(yōu)化溫度計的精度，以及那些材料可以成為理想的納米溫度計。西班牙巴塞羅那州立大學的Anna Spanpera和她的同事，以及英國諾丁漢大學的Gerardo Adesso相信他們已經(jīng)找到了問題的答案。他們利用了新的理論技巧，結(jié)合數(shù)學工具、量子力學與熱力學來研究這些問題。
       “總的說來，我們想要測量的溫度將與溫度計的能量密切相關(guān)，”巴塞羅那小組的Luis Correa說道。研究小組的工作顯示，最為敏感的納米溫度計擁有最大的熱容，這意味著 環(huán)境溫度中微小的變化都會對溫度計的能量產(chǎn)生較大的影響。
       通過在數(shù)學上將溫度計熱容最大化，研究小組得到了納米溫度計靈敏度的表達式。溫度計的靈敏度取決于其能級結(jié)構(gòu)與未占據(jù)量子態(tài)的數(shù)量。例如，實驗中曾經(jīng)采用的納米金剛石溫度計，其擁有一個基態(tài)和兩個能量相同的激發(fā)態(tài)。工作小組發(fā)現(xiàn)，最精確的溫度計是雙能級系統(tǒng)，就像納米金剛石一樣，但是其上能級并不是只含有兩個量子態(tài)，而是非常多的量子態(tài)。
       然而，研究工作也發(fā)現(xiàn)溫度計的精確度和可測量溫度的范圍之間有所競爭。人們可以通過增加上能級量子態(tài)的數(shù)目而獲得更高的精確度，但同時也窄化了溫度計能測量的有效溫度范圍。
       工作小組已經(jīng)建議一位實驗人員首先利用低靈敏度但高溫度域的溫度計來大概確定樣品的溫度。接著利用更精準的溫度計去測量樣品中不同位置的溫度——例如電路或者細胞中——從而得到一幅溫度隨空間分布的精確圖譜。
       在現(xiàn)實情況里，或許溫度計不能完全與樣本達到熱平衡，因為樣品的溫度或許會隨著時間變化。在這種情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)如果在測量之前溫度計處于非常冷的環(huán)境中，這樣其能量狀態(tài)就會處于或者非常接近于基態(tài)，然后再去測量樣品，這時候得到的結(jié)果是最精確的。同時他們在工作中也表示，同一個測量應當經(jīng)過盡可能多次的檢驗，即將溫度計冷卻再重新接觸樣品，這樣循環(huán)往復。
       Correa說，這一工作可以幫助科學家們認識到應當從哪里改進實驗。提高溫度測量的精度可以幫助科學家研究納米尺度下熱耗散的問題，以及在細胞中的熱過程。
       瑞士聯(lián)邦理工學院的Martin Kroner說，這一理論工作在人們利用基于量子效應的更可靠溫度計上邁出了重要一步。他也說道，現(xiàn)如今科學家們在實驗中已經(jīng)能夠制造溫度非常低的環(huán)境去觀察量子現(xiàn)象，但是這一新的工作將實驗引入了新的境地， 人們不僅可以觀測量子體系，還能精確地測量量子體系本身的溫度。
       這一研究工作發(fā)表在物理評論快報上。