Wetenschappers beschrijven meest nauwkeurige kwantumthermometers

Spaanse wetenschappers hebben uitgerekend hoe een thermometer zo nauwkeurig mogelijk kan worden gemaakt door gebruik te maken van kwantummechanica. Een nauwkeurige thermometer kan onder andere worden ingezet bij medisch en natuurkundig onderzoek.

Het onderzoek is gepubliceerd in het gezaghebbende natuurkundetijdschrift Physical Review Letters, en is uitgevoerd door wetenschappers van een universiteit in Barcelona. Zij beschrijven een kwantumsysteem dat minieme fluctuaties in temperatuur kan meten. Volgens berekeningen is een kwantumthermometer van een individueel atoom het nauwkeurigst bij een zo hoog mogelijke warmtecapaciteit. Ook de energieniveaus en aantal kwantumstaten van de meest nauwkeurige kwantumthermometer konden worden berekend.

Tevens blijkt dat de mate van nauwkeurigheid van de kwantumthermometer omgekeerd evenredig is met het temperatuurgebied waarin het kan opereren. Dat betekent dus dat hoe nauwkeuriger een thermometer is, hoe kleiner het temperatuurinterval waarin het apparaatje werkzaam is. Daarom bevelen de onderzoekers aan om eerst een thermometer met een lagere nauwkeurigheid te nemen om het temperatuurgebied te bepalen en daarna pas een nauwkeuriger model te gebruiken.

Door de berekeningen van de Spaanse wetenschappers kunnen kwantumthermometers worden verbeterd. Nauwkeurige thermometers kunnen in verscheidene onderzoeksvelden worden ingezet. Zo worden kwantumthermometers al gebruikt voor het meten van de temperatuur in cellen, maar kunnen bijvoorbeeld ook temperatuurontwikkelingen in nano-apparaatjes worden gemeten.

Temperatuur meten van een cel

IT-banen

Reacties (26)

TD-er

7 juni 2015 12:23

Als ik de abstract goed begrijp, kijken ze ook naar hoe je zo nauwkeurig mogelijk alvast een schatting kunt maken van de temperatuur van het te meten object door de snelheid van opwarming/afkoeling te meten.
Normaal gesproken moet je thermometer namelijk dezelfde temperatuur krijgen als het te meten object (IR-thermometers uitgezonderd uiteraard) en dan meet je de temperatuur van je eigen meet-kop.
Echter als je weet hoe snel de temperatuur van je meetkop toe/af-neemt, dan kun je ook al een schatting maken wat de temperatuur is van je te meten object.
Dit kan voor een schatting al veel sneller een goede indicatie geven en kan ook helpen bij bepalen van temperatuur bij objecten waarbij het niet makkelijk/mogelijk is om lang te meten.

Nadeel is wel dat je ijk-proces van de thermometer een stukje uitgebreider wordt, omdat je ook de thermische weerstand van je meetkop moet vaststellen. (dus hoeveel energie is er nodig om op te warmen/af te koelen) Ik kan me zo voorstellen dat dat niet een constante waarde is bij veranderende begintemperatuur.

Verwijderd @TD-er • 7 juni 2015 13:46

Ik snap iets niet. Misschien ken je me helpen.

Tevens blijkt dat de mate van nauwkeurigheid van de kwantumthermometer omgekeerd evenredig is met het temperatuurgebied waarin het kan opereren. Dat betekent dus dat hoe nauwkeuriger een thermometer is, hoe kleiner het temperatuurinterval waarin het apparaatje werkzaam is.

Is dat niet altijd al zo geweest? Als je elektrische spanning meet, dan kun je toch ook niet een voltmeter gebruiken met een bereik van 0 tot 1000 gigaVolt met een nauwkeurigheid van 0,1 yocoVolt? Groter bereik = minder nauwkeurigheid, toch?

Nauwkeurige thermometers kunnen in verscheidene onderzoeksvelden worden ingezet. Zo worden kwantumthermometers al gebruikt voor het meten van de temperatuur in cellen, maar kunnen bijvoorbeeld ook temperatuurontwikkelingen in nano-apparaatjes worden gemeten.

Stel dat de temperatuur op 0,00000000000000031415926535 yocto graden celcius kan worden gemeten (1 yocto = 1 * 10 ^-24). Dat is dusdanig nauwkeurig dat we al bij voorbaat kunnen stellen dat we een temperatuurverschil zullen meten tussen het middenste deel van een cel en het buitenste deel van diezelfde cel. Sterker nog, de buitenkant aan de linkerkant van de cel zal ook niet dezelfde temperatuur hebben als de buitenkant aan de rechterkant van de cel. Bij elke 2 willekeurige meetpunten van die cel zul je een andere temperatuur meten. Met andere woorden: de nauwkeurigheid is zo groot dat het zinloos is om ermee te werken. Hoe weten de wetenschappers uit bovenstaand artikel niet dat ze de grens van het zinloze hebben overschreden?

TD-er

@Verwijderd • 7 juni 2015 18:44

[...]
Met andere woorden: de nauwkeurigheid is zo groot dat het zinloos is om ermee te werken. Hoe weten de wetenschappers uit bovenstaand artikel niet dat ze de grens van het zinloze hebben overschreden?

Je vraag kun je opdelen in 3 delen:

De ruis in je meetdata.
De "weerstand" van je te meten grootheid.
Systematische ruis

Bij elke meting heb je te maken met een signaal/ruis verhouding (SNR).
Dit wordt vaak in dB aangeduid en het prettige daarvan is dat dit ook een logaritmische schaal is, dus eigenlijk een constante relatie heeft met het aantal bruikbare bits.

Dus stel je neemt samples van een signaal en de SNR is 30 dB, dan is dat 10 of 5 bits effectief, afhankelijk van of je een vermogen meet, of een gewoon signaal. (delen door 3 or 6)
Als je dan een signaal van een A/D converter gebruikt met een SNR van 30 dB, dan heeft het weinig zin om meer dan 5 (of 10) bits aan data te gaan verwerken.
De SNR kan door elke component in je meetopstelling beïnvloed worden. (kabel, A/D conversie, versterker, etc.)

Uiteraard moet je een dergelijke SNR nog wel vaststellen en dat kun je doen door een signaal aan te bieden waarvan je het verloop kent. Als je dan uit de samples de trend haalt en dan kijkt naar het overgebleven signaal, dan kun je uit die statistiek afleiden hoeveel bits relevant zijn voor je meting en hoeveel dus ruis zijn.
Dit is het aandeel van de ruis in je meting zelf.

Dan heb je nog de "weerstand" in je te meten object.
Daarmee bedoel ik dus niet de Ohmse weerstand, maar hoe snel bijvoorbeeld de omgeving opwarmt. Dus wat je al aangeeft met het verschil van temperatuur binnen een enkele cel.
Dat is per materiaal verschillend en afhankelijk van nogal veel factoren.
Bijvoorbeeld stroomt er iets langs, of niet? Is de verschiltemperatuur groot of niet? Zijn er meerdere warmtebronnen? Kan de energie die in warmte omgezet wordt ook elders wegvloeien? Beïnvloed je meting zelf de omgeving? (bijvoorbeeld opwarmen van de sensor puur door het meten zelf)
Je moet bij metingen met hoge nauwkeurigheid dan ook ervoor zorgen dat er zoveel mogelijk factoren uitgesloten worden.
Bijvoorbeeld meten in het donker (of met constante hoeveelheid licht), constante omgevingstemperatuur, geen luchtstroom, etc. (bijvoorbeeld een 100W gloeilamp in een kalibratie-ruimte die uit gaat als er een persoon binnen komt, geeft vrijwel dezelfde hoeveelheid warmte en houd de warmte dus constant)

De nauwkeurigheid van de meting kan nogal beïnvloed worden door dergelijke externe invloeden die over het hoofd gezien worden.

Dan heb je nogal een aparte vorm van ruis, namelijk de systematische ruis.
Bijvoorbeeld bij een beeldsensor van een camera. Nadat een beeld genomen is, worden de pixels gereset. Echter elke pixel gaat niet precies terug naar hetzelfde niveau. Zowel naar hetzelfde 0-niveau, als ook de spanning bij gelijke hoeveelheid licht.
Dat is een ruis die afhankelijk is van het gebruikte meetmiddel.
Systematische ruis heb je in diverse vormen.
Een variant daarop is dynamische ruis. Bijvoorbeeld de afwijking in de meting kan verschillen als de te meten waarde toeneemt of afneemt.

Dan nu de vraag wanneer je naar de ruis zit te kijken en wanneer je er nog wel iets zinnigs over kunt zeggen.
Dat is eigenlijk de grootste vraag bij alle wetenschap en een stuk lastiger te beoordelen dan je zou denken.
Soms is de ruis bijvoorbeeld te voorspellen en dan kun je die eruit filteren en dus toch nog zinnige informatie uit je "ruis" halen. Denk aan ruis-filtering in de meer geavanceerdere audio-bewerkingssoftware. Daar kun je een "noise print" maken en die over andere stukken halen en zo de ruis redelijk effectief.
Je kunt er ook gebruik van maken om het ruis-niveau te dempen. Denk aan Vectoring-VDSL wat nu uitgerold wordt als upgrade voor de ADSL/VDSL internet lijnen. Daarbij stuurt de centrale mee wat de te verwachten ruis is op de lijn, oftewel een soort van noise-print en dan haalt je modem dat er ook uit en kan zo dus meer over de lijn sturen.
Maar zoals ik al eerder aangaf, is het heel erg van belang om eigenlijk alle mogelijke vormen van ruis uit je systeem te kennen, om er iets zinnigs over te kunnen zeggen.

Maar goed, aangezien een deel van de conclusies uit dat artikel is dat de nauwkeurigheid groter is bij een kleiner meetbereik, kun je al vrij snel zien dat het grootste deel van de onnauwkeurigheid zit in de meting zelf, oftewel dat je maar een beperkt aantal bits aan resolutie hebt.
Daarnaast kun je natuurlijk wel het bereik blijven verkleinen, maar dan zit je op een gegeven moment te kijken naar de ruis van de 0-waarde, of de ruis in de meetversterking voor het samplen.
Kortom, het is lastige materie en menig meting wordt veel te veel betrouwbaarheid aan toegekend

trogdor @TD-er • 8 juni 2015 12:25

Me dunkt dat je beter capaciteit kunt gebruiken in plaats van weerstand.

Verwijderd @Verwijderd • 7 juni 2015 18:01

Je moet meetbereik en nauwkeurigheid niet door elkaar halen.
Je kan 1,0001 Volt meten of bv 1000,1 zelfde nauwkeurigheid ander bereik.
Of 1000,0001 V wat nauwkeuriger is.

Mythx @Verwijderd • 7 juni 2015 23:19

Kleine nitpick en niet echt on-topic:

Bij het gebruik van kilo-, mega-, milli-, etc. gebruikt men kelvin (K), de SI-eenheid voor temperatuur. Je spreekt dus over yoctokelvin (yK).

bazs2000 7 juni 2015 12:11

Wat ik mij dan weer afvraag is het volgende:

Wordt het te meten gebied dan niet te klein? We weten immers dat atomen individueel verschillende temperaturen kunnen hebben en hoe meet je de temperatuur dan? Ga je uit van een gemiddelde waarde dan is de meting niet nauwkeurig over een bepaalde tijd.

Misschien snap ik de materie niet goed al is het wel de eerste vraag die naar boven komt.

Mocro_Pimp® @bazs2000 • 7 juni 2015 12:48

Atomen hebben een temperatuur? Ik dacht juist dat atomen d.m.v. trillingen verantwoordelijk zijn voor de temperatuur van een molecuul.

bazs2000 @Mocro_Pimp® • 7 juni 2015 12:57

Andersom is het meer. De temperatuur maakt dat een atoom gaat trillen met een frequentie die in overeenstemming met de temperatuur.

Jouw stelling zou betekenen dat atomen zelf voor fluctuaties kunnen zorgen waar dat eigenlijk door externe factoren komt (botsingen, aantrekkingskracht en noem maar op).

amas @Mocro_Pimp® • 7 juni 2015 13:00

Temperatuur is gewoon een energie. E = k_b * T. Als je dus weet wat de energie van een attom is weet je ook z'n 'temperatuur'.

The mindkiller @Mocro_Pimp® • 7 juni 2015 15:36

Zoals ik het begrijp na wat research op het net kun je niet spreken van temperatuur van 1 atoom. Temperatuur heeft alleen betrekkking op een groep atomen. Natuurlijk kun je wel van een enkel atoom de energie bepalen en van daaruit de temperetuur berekenen.

thermodynamisch temperatuur (volgens wiki):
Temperature is a measure of the random submicroscopic motions and vibrations of the particle constituents of matter. These motions comprise the internal energy of a substance. More specifically, the thermodynamic temperature of any bulk quantity of matter is the measure of the average kinetic energy per classical (i.e., non-quantum) degree of freedom of its constituent particles.

Aial0n @bazs2000 • 7 juni 2015 12:30

Je begrijpt het goed, maar wat is die 'bepaalde tijd' waar je het over hebt? Bond vibration frequencies zijn in de orde van 10^12-10^14 Hz, de frequentie waarmee electronen van energy state kunnen wisselen is waarschijnlijk nog wel hoger. Laten we zeggen dat we na 1000 metingen wel een fatsoenlijk gemiddelde hebben, dan is de meting nauwkeurig bij een 'bepaalde tijd'>nanoseconde.

Lijkt me vrij werkbaar. Sommige electronica is sneller, maar voor de meeste toepassingen voldoet dit wel.

bazs2000 @Aial0n • 7 juni 2015 12:51

Met de bepaalde tijd bedoel ik de lengteduur van de gemiddelde meting of waarneming. Als je de temperatuur van iets nauwkeurig wil meten dan wil je een meting van het 'nu' en niet dat van enkele nanoseconden want als je dat doet heb je een gemiddelde over een tijdsperiode gemeten waardoor de nauwkeurigheid omlaag gaat.

Aangezien de wetenschappers juist de nauwkeurigheid omhoog willen halen kan ik mij niet anders indenken dat ze het over een meting van het 'nu' hebben en dat lijkt mij nogal een paradox.

Verwijderd 7 juni 2015 13:16

Welke stagiair zit er nou weer boter kaas en eieren te spelen op dat plaatje?

ronka 7 juni 2015 16:44

ze mogen wel te kort komen in geld ( onze zuid buren) , maar ze zijn daar goed bezig, beter dan ons zelf

Freekyo @ronka • 7 juni 2015 22:49

Belgen zijn over het algemeen ook beter in taal en grammatica dan wij zelf...

stresstak @Freekyo • 7 juni 2015 22:59

Belgen zijn over het algemeen ook beter in taal en grammatica dan wij zelf...

Voor het grootste deel hebben ze de taal niet hoeven ontwikkelen. Het scheelt tijd wanneer je je talen van een paar andere landen overneemt.

suprcow 8 juni 2015 00:57

kwantum was dicht

maar Noobquestion:

als je hier dus heel nauwkeurig mee kunt meten per positie in de ruimte, dus heel lokaal temperaturen kan bepalen, zou je dan met een array in kubus vorm bijvoorbeeld van deze thermometers om een object heen (bijvoorbeeld een magneet) realtime stromen in digitaal beeld kunnen brengen? (onzichtbaar is niet altijd onmeetbaar en later weer weer te geven in een vorm zichtbaar voor mensen) om te kijken of magnetisnme zeg maar gebasseerd is op een continue stroming tussen physieke punten van het object ( de magneet zelf) met een stroming tussen minime relative (heeeel erg kleine in dit geval, niet genoeg om materie licht af te laten geven). dus langzaam, temperatuur verschillen. als bijvoorbeeld de weerstand van een van beider zeiden (plus kant bijvoorbeeld) net iets groter is door bijvoorbeeld een net iets grotere dichtheid, krijg je een soort onzichtbare lucht stromingen tussen temperaturen, de hetere (hogere densiteit is meer atoom collisions maar is relatief) meer weerstand kant en de aantrekkende koelere kant. het exacte middel punt aan de binnenkant van de plus kant (een van beide compartimenten) zal ook een eigen relatieve temperatuur hebben (licht aan de omgevings temperatuur buiten het object en of er temperatuur van buiten naar binnen komt of andersom), anders dan die van de buitenkant waar langs temperatuur het object verlaat, tenzij de buiten temperatuur hoger is en het metaal juist warmte opneemt. ik ben dus eigenlijk benieuwd of ze met deze techniek dus diverse oppervlakte temperaturen kunnen waarnemen, en of deze veranderen over tijd (een stroming van onzichtbarematerie visualiseren aan de hand van het meten van heel erg lokale temperatuur verschillen en te bepalen of er stroming of een heel erg lokale verplaatsing plaatsvind). ach ja hoe presiezer je meet, hoe beter je weet :0

wat mij een grappig experiment lijkt kweet niet of t al eens gedaan is, als je meerdere vloeistoffen bij elkaar stopt (met elk een aparte duidelijk te onderscheiden kleur per vloeistof) in een glazen bak die elk een aparte temperatuur hebben waarbij ze bevriezen (aparte dichtheden dus soortelijk gewicht dat aparte energie of temperatuur nodig heeft om in bewegeing te worden gebracht), als je daar dan een sterke magneet bij stopt en na een tijdje als je de vloeistoffen goed gemixt hebt (zo fijn mogelijk tot kleur niet meer te onderscheiden is, om te kijken of ze weer bij elkaar komen) dan de hele bak in een keer laat bevriezen (zo snel als mogelijk), om te kijken of de stromingen zo zichtbaar vastgelecht kunnen worden van het magnetische effect. (een soort space en time lock).

als ik een weergave van die magnetische lijnen zie, die velden heb ik altijd het idee naar een soort weerkaart te kijken met lokale temperaturen

met hoge en lagere druk gebieden maar dan op nano schaal. de grafische 2 dimensionale weergave met lijnen werkt op elke schaal als je er geen grootheid aan hangt.

[Reactie gewijzigd door suprcow op 23 juli 2024 08:22]