Kvantumgas går under det absolutte nulpunkt
PHOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock
Temperaturen i en gas kan nå under det absolutte nulpunkt takket være en finurlighed i kvantefysikken.
Det lyder måske mindre sandsynligt, end at helvede fryser til is, men fysikere har for første gang skabt en atomar gas med en temperatur under det absolutte nulpunkt1. Deres teknik åbner døren til at frembringe materialer med negativ Kelvin og nye kvanteanordninger, og den kan endda være med til at løse et kosmologisk mysterium.
Lord Kelvin definerede den absolutte temperaturskala i midten af 1800-tallet på en sådan måde, at intet kunne være koldere end det absolutte nulpunkt. Fysikere indså senere, at den absolutte temperatur for en gas hænger sammen med den gennemsnitlige energi af dens partikler. Det absolutte nulpunkt svarer til den teoretiske tilstand, hvor partiklerne slet ikke har nogen energi, og højere temperaturer svarer til højere gennemsnitlige energier.
I 1950’erne begyndte fysikere, der arbejdede med mere eksotiske systemer, imidlertid at indse, at dette ikke altid er sandt: Teknisk set aflæser man temperaturen i et system ud fra en graf, der viser sandsynlighederne for, at dets partikler findes med bestemte energier. Normalt har de fleste partikler en gennemsnitlig eller næsten gennemsnitlig energi, og kun nogle få partikler har højere energier. Hvis situationen er omvendt, og der er flere partikler med højere i stedet for lavere energier, vil grafen i teorien vende om, og temperaturens fortegn vil ændre sig fra en positiv til en negativ absolut temperatur, forklarer Ulrich Schneider, fysiker ved Ludwig Maximilian Universitetet i München, Tyskland.
Toppe og dale
Schneider og hans kolleger nåede sådanne subabsolutte nultemperaturer med en ultrakold kvantegas, der består af kaliumatomer. Ved hjælp af lasere og magnetfelter holdt de de enkelte atomer i et gitterarrangement. Ved positive temperaturer frastøder atomerne hinanden, hvilket gør konfigurationen stabil. Holdet justerede derefter hurtigt de magnetiske felter, hvilket fik atomerne til at tiltrække hinanden i stedet for at frastøde hinanden. “Dette flytter pludselig atomerne fra deres mest stabile, lavenergitilstand til den højest mulige energitilstand, før de kan reagere,” siger Schneider. “Det er som at gå gennem en dal og straks finde sig selv på bjergtoppen.”
Ved positive temperaturer ville en sådan omvending være ustabil, og atomerne ville kollapse indad. Men holdet justerede også det indfangende laserfelt for at gøre det mere energimæssigt gunstigt for atomerne at holde fast i deres positioner. Dette resultat, der i dag beskrives i Science1, markerer gassens overgang fra lige over det absolutte nulpunkt til et par milliardtedele kelvin under det absolutte nulpunkt.
Wolfgang Ketterle, fysiker og nobelpristager ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, som tidligere har påvist negative absolutte temperaturer i et magnetisk system2, kalder det seneste arbejde for en “eksperimentel tour de force”. Eksotiske højenergitilstande, som er svære at frembringe i laboratoriet ved positive temperaturer, bliver stabile ved negative absolutte temperaturer – “som om man kan stille en pyramide på hovedet uden at bekymre sig om, at den vælter”, bemærker han – og derfor kan sådanne teknikker gøre det muligt at studere disse tilstande i detaljer. “Det kan være en måde at skabe nye former for stof i laboratoriet”, tilføjer Ketterle.
Hvis sådanne systemer blev bygget, ville de opføre sig mærkeligt, siger Achim Rosch, teoretisk fysiker ved universitetet i Köln i Tyskland, som har foreslået den teknik, som Schneider og hans hold har anvendt3. Rosch og hans kolleger har f.eks. beregnet, at mens skyer af atomer normalt ville blive trukket nedad af tyngdekraften, vil nogle atomer, hvis en del af skyen har en negativ absolut temperatur, bevæge sig opad og tilsyneladende trodse tyngdekraften4.
Et andet særtræk ved subabsolut-nul-gas er, at den efterligner “mørk energi”, den mystiske kraft, der tvinger universet til at udvide sig stadig hurtigere mod tyngdekraftens indadgående træk. Schneider bemærker, at de tiltrækkende atomer i den gas, som holdet har produceret, også ønsker at kollapse indad, men at de ikke gør det, fordi den negative absolutte temperatur stabiliserer dem. “Det er interessant, at denne mærkelige egenskab dukker op i universet og også i laboratoriet”, siger han. “Det er måske noget, som kosmologer bør se nærmere på.”