對(duì)于某一組理論學(xué)家來說，可能最準(zhǔn)確的納米級(jí)溫度計(jì)就是量子雙態(tài)系統(tǒng)了。在理想狀態(tài)下，這個(gè)系統(tǒng)存在一個(gè)基態(tài)以及一些能量高一些的激發(fā)態(tài)。這個(gè)小組的理論學(xué)家從理論上確定了我們的實(shí)驗(yàn)人員在測(cè)量溫度時(shí)所能達(dá)到的極限。他們的工作或許能推動(dòng)精密溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，人們可以利用這種精密溫度計(jì)測(cè)量化學(xué)與生物反應(yīng)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(duì)細(xì)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(jì)，可以測(cè)量出納米尺度下mK級(jí)別的溫度變化。他們利用固體中單個(gè)半導(dǎo)體量子點(diǎn)制備出了這種量子溫度計(jì)，簡(jiǎn)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(jì)測(cè)量出了半導(dǎo)體中電子的溫度和活細(xì)胞內(nèi)部的溫度變化。第一種技術(shù)已經(jīng)能夠讓溫度計(jì)在樣品中取得熱平衡，并精確測(cè)量樣本的溫度譜或探測(cè)熒光譜線與溫度的關(guān)系。
       這一實(shí)驗(yàn)工作催生出了一些問題，其中包括怎樣優(yōu)化溫度計(jì)的精度，以及那些材料可以成為理想的納米溫度計(jì)。西班牙巴塞羅那州立大學(xué)的Anna Spanpera和她的同事，以及英國(guó)諾丁漢大學(xué)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(xué)工具、量子力學(xué)與熱力學(xué)來研究這些問題。
       “總的說來，我們想要測(cè)量的溫度將與溫度計(jì)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(jì)擁有最大的熱容，這意味著 環(huán)境溫度中微小的變化都會(huì)對(duì)溫度計(jì)的能量產(chǎn)生較大的影響。
       通過在數(shù)學(xué)上將溫度計(jì)熱容最大化，研究小組得到了納米溫度計(jì)靈敏度的表達(dá)式。溫度計(jì)的靈敏度取決于其能級(jí)結(jié)構(gòu)與未占據(jù)量子態(tài)的數(shù)量。例如，實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)采用的納米金剛石溫度計(jì)，其擁有一個(gè)基態(tài)和兩個(gè)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(jì)是雙能級(jí)系統(tǒng)，就像納米金剛石一樣，但是其上能級(jí)并不是只含有兩個(gè)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(jì)的精確度和可測(cè)量溫度的范圍之間有所競(jìng)爭(zhēng)。人們可以通過增加上能級(jí)量子態(tài)的數(shù)目而獲得更高的精確度，但同時(shí)也窄化了溫度計(jì)能測(cè)量的有效溫度范圍。
       工作小組已經(jīng)建議一位實(shí)驗(yàn)人員首先利用低靈敏度但高溫度域的溫度計(jì)來大概確定樣品的溫度。接著利用更精準(zhǔn)的溫度計(jì)去測(cè)量樣品中不同位置的溫度——例如電路或者細(xì)胞中——從而得到一幅溫度隨空間分布的精確圖譜。
       在現(xiàn)實(shí)情況里，或許溫度計(jì)不能完全與樣本達(dá)到熱平衡，因?yàn)闃悠返臏囟然蛟S會(huì)隨著時(shí)間變化。在這種情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)如果在測(cè)量之前溫度計(jì)處于非常冷的環(huán)境中，這樣其能量狀態(tài)就會(huì)處于或者非常接近于基態(tài)，然后再去測(cè)量樣品，這時(shí)候得到的結(jié)果是最精確的。同時(shí)他們?cè)诠ぷ髦幸脖硎荆粋€(gè)測(cè)量應(yīng)當(dāng)經(jīng)過盡可能多次的檢驗(yàn)，即將溫度計(jì)冷卻再重新接觸樣品，這樣循環(huán)往復(fù)。
       Correa說，這一工作可以幫助科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到應(yīng)當(dāng)從哪里改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。提高溫度測(cè)量的精度可以幫助科學(xué)家研究納米尺度下熱耗散的問題，以及在細(xì)胞中的熱過程。
       瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Martin Kroner說，這一理論工作在人們利用基于量子效應(yīng)的更可靠溫度計(jì)上邁出了重要一步。他也說道，現(xiàn)如今科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)引入了新的境地， 人們不僅可以觀測(cè)量子體系，還能精確地測(cè)量量子體系本身的溫度。
       這一研究工作發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)上。