科學家透過光線追蹤氫分子的運動，取代傳統溫度計，成功測量低至 4.9 克爾文（K）的溫度，相當於約攝氏零下 268 度。 波蘭托倫哥白尼大學（Nicolaus Copernicus University）的物理學家利用這項技術，測量了介於 4.9 至 7.8 K 之間的氫氣溫度。
與傳統溫度計不同，這種方法不需要透過另一支溫度計進行校準，因此可作為一種「初級溫度計（一次溫度計，primary thermometer）」，直接根據基本物理常數確定溫度。 同一項實驗也讓研究人員能夠計算氣體壓力，並將量子電動力學的理論預測精確度驗證至第十位有效數字。
約 5 K 的超低溫對超導體、量子感測器及液化氣體研究十分重要，但要準確測量這類溫度尤其困難。 在如此低的溫度下，傳統溫度計可能會干擾被測量的系統。此外，其讀數依賴與越來越精確的標準進行校準，形成一連串的比較過程，最終限制了溫度能夠被直接確定的程度。托倫研究團隊則改為直接利用氫分子本身進行測量。 朝向光束移動的分子會吸收與遠離光束移動的分子略有不同的頻率。這種現象稱為都卜勒效應（Doppler effect），會使光譜線變寬。 分子移動速度越快，光譜線就越寬。透過測量光譜線的寬度，研究人員便能根據分子的運動狀態確定溫度。
這項計算依賴多項基本常數，包括氫分子的質量、躍遷頻率、光速及波茲曼常數（Boltzmann constant）。 研究人員利用光學頻率梳（optical frequency comb），將頻率與位於 Borowiec 的天文地球動力學觀測站（Astrogeodynamic Observatory）的 UTC 時間進行校準。如此一來，就能在不先與另一支溫度計比較的情況下直接確定溫度。要讓這項測量技術在僅數個克爾文的極低溫下正常運作，是實驗面臨的主要挑戰。 氫氣的光譜線極為微弱，而且隨著溫度下降，大量氣體會凝結成固體。研究人員將氫氣置於一個長 69 公分、由高反射率鏡面構成的腔體內。
光線平均在腔體內循環 26 微秒，穿過氣體的總路徑長度約為 8 公里。這條極長的光學路徑放大了微弱的吸收訊號，使其足以被測量。 整個腔體也必須保持均勻冷卻。鏡面、銅製外殼及控制腔體長度的機構，都必須維持幾乎相同的溫度。即使腔體中只有一個較溫暖的區域，也可能改變分子速度的分布，進而使測量結果失真。實驗裝置同時降低了低溫恆溫器（cryostat）的振動，並將溫度波動控制在低於 0.001 K。
這項技術成功測量了 4.9 至 7.8 K 之間的溫度。在高於 6 K 的範圍內，測量的不確定度低於 0.02 K。在 4.9 K 時，由於氫氣蒸氣壓及光學訊號大幅下降，不確定度增加至 0.18 K。 研究結果大致與商用二極體感測器的測量結果一致。光譜還揭示了其他物理性質。透過確定單位體積內氫分子的數量，研究人員計算出氣體壓力，並重建了氫氣部分的相圖，其涵蓋的壓力範圍超過三個數量級。 光譜線的位置也提供了測試量子電動力學的機會，結果與理論預測一致，精確至第十位有效數字。
這項研究由托倫哥白尼大學物理研究所一支 16 人團隊完成，研究結果發表於《Nature Physics》期刊。
