基于量子力学的温度计：可以在极低温下工作，对被测物体无干扰

温度是一个物理量，它反映了物质的热运动状态。温度越高，物质的分子或原子就越活跃；相反，温度越低，物质的分子或原子就越静止。温度是一个非常重要的参数，它影响着物质的性质和状态，比如导电性、磁性、相变等等。因此，测量温度是物理学和工程学中的一个基本任务。

那么，我们怎么测量温度呢？一般来说，我们需要一个温度计，也就是一个能够根据温度变化而改变某些性质的装置。比如，我们常用的水银温度计就是利用水银在不同温度下膨胀或收缩的特性来显示温度的。

但是，这种传统的温度计有一个缺点，那就是它需要和被测物体接触，从而影响被测物体的温度。这在一些情况下是不可接受的，比如当我们想要测量微观尺度上的温度分布时，或者当我们想要测量极低温下的热传导时。

为了解决这个问题，一些科学家提出了一种新颖的温度计：量子温度计。这种温度计不需要和被测物体接触，而是利用了量子力学中的一个概念：能级。能级是指量子系统可以存在的离散能量状态，这些系统的能级之间的跃迁可以通过吸收或发射光子来实现，而光子的频率或波长则决定了能级之间的能量差。因此，如果我们知道了一个量子系统的能级结构，我们就可以通过观察它发射或吸收的光来推断它的能量状态。

那么，能量状态和温度有什么关系呢？根据热力学第二定律，一个物理系统在平衡状态下，其能量会按照一定的概率分布在不同的能级上，而这个概率分布取决于系统的温度。通常，我们用玻尔兹曼分布来描述这种情况，它告诉我们一个能级上的粒子数与该能级的能量和系统的温度成反比。也就是说，温度越高，高能级上的粒子数越多，反之亦然。因此，如果我们知道了一个量子系统在不同能级上的粒子数比例，我们就可以通过玻尔兹曼方程来计算出它的温度。

这听起来很简单，但是实现起来并不容易。因为要做到这一点，我们需要满足以下几个条件：我们需要找到一个合适的量子系统，它具有两个能级；我们需要将这个量子系统嵌入到一个透明或半透明的基底中，并且保证基底对光没有吸收或散射；我们需要将这个嵌入了量子系统的基**成一个微小的探针，并且保证探针对被测物体没有热影响。

你可能会想，这些条件太苛刻了，怎么可能做到呢？事实上，在最近发表在PRX Quantum上的一篇论文中，科学家就做到了。他们使用了一种有机分子作为量子系统，这种分子叫做双氰基苯基乙烯。这个分子可以被看作是一个两能级系统，它只有基态和激发态两种状态。当这个分子被激光照射时，它会从基态跃迁到激发态，并在一段时间后自发地回到基态，并同时发射出一个光子。

然而，由于分子周围的环境会对其产生一定的影响，导致两个能级之间的能量差会有一些变化，这就导致了光子波长的展宽。这种展宽可以用洛伦兹线型来描述，它告诉我们光子波长与两个能级之间的跃迁速率成反比。也就是说，跃迁速率越快，光子波长越窄，反之亦然。

在极低温下，分子从激发态回到基态的速率会变得非常慢，从而导致光子波长变得非常宽。相反，在较高温度下，分子从激发态回到基态的速率会变得非常快，从而导致光子波长变得非常窄。因此，如果我们知道了光子波长的展宽，我们就可以通过洛伦兹方程来计算出分子的跃迁速率，进而通过玻尔兹曼方程来计算出分子的温度。

他们将这种分子作为杂质嵌入到一种叫做蒽的晶体中，蒽是一种透明的有机晶体，对光没有吸收或散射。他们将这种含有分子的蒽晶体制成了直径约为5微米的球形探针，并且将这些探针散布在一个悬浮的硅膜上。他们用一个激光来激发探针中的分子，并且用一个光谱仪来检测探针发射的光。他们发现，当探针的温度变化时，探针发射的光的频率也会变化，而且这种变化是非常明显的。他们利用这种变化，就可以计算出探针的温度，并且绘制出硅膜上的温度分布图。

这项研究展示了量子温度计的强大功能，它可以在微观尺度上测量温度，并且对被测物体几乎没有干扰。它还可以在极低温下工作，在3到20开尔文之间效果最佳。它可以用来研究一些前沿的物理现象，比如纳米结构中的热传导、热噪声、热力学涨落等等。