A kvantumgáz az abszolút nulla alá megy
PHOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock
A kvantumfizika egy furcsaságának köszönhetően egy gáz hőmérséklete az abszolút nulla alá mehet.
Még a pokol befagyásánál is valószínűtlenebbül hangzik, de fizikusok először hoztak létre olyan atomi gázt, amelynek hőmérséklete az abszolút nulla fok alatt van1. Technikájuk megnyitja az utat a negatív Kelvin értékű anyagok és új kvantumeszközök előállításához, és még egy kozmológiai rejtély megoldásához is hozzájárulhat.
Lord Kelvin az 1800-as évek közepén úgy határozta meg az abszolút hőmérsékleti skálát, hogy semmi sem lehet hidegebb az abszolút nullánál. A fizikusok később rájöttek, hogy egy gáz abszolút hőmérséklete összefügg a részecskéinek átlagos energiájával. Az abszolút nulla megfelel annak az elméleti állapotnak, amelyben a részecskéknek egyáltalán nincs energiájuk, a magasabb hőmérséklet pedig magasabb átlagos energiának felel meg.
Az 1950-es évekre azonban az egzotikusabb rendszerekkel dolgozó fizikusok kezdtek rájönni, hogy ez nem mindig igaz: Technikailag egy rendszer hőmérsékletét egy olyan grafikonról olvashatjuk le, amely a részecskék bizonyos energiával való előfordulásának valószínűségét ábrázolja. Normális esetben a legtöbb részecske átlagos vagy közel átlagos energiával rendelkezik, és csak néhány részecske száguldozik magasabb energiával. Elméletileg, ha a helyzet megfordulna, és több részecske rendelkezne magasabb, nem pedig alacsonyabb energiával, a grafikon megfordulna, és a hőmérséklet előjele pozitívról negatív abszolút hőmérsékletre változna, magyarázza Ulrich Schneider, a müncheni Ludwig Maximilián Egyetem fizikusa.
Tetőpontok és völgyek
Schneider és kollégái ilyen abszolút nulla alatti hőmérsékleteket értek el egy káliumatomokból álló ultrahideg kvantumgázzal. Lézerek és mágneses terek segítségével rácsos elrendezésben tartották az egyes atomokat. Pozitív hőmérsékleten az atomok taszítják egymást, így az elrendezés stabil. A csapat ezután gyorsan beállította a mágneses tereket, így az atomok inkább vonzzák, mint taszítják egymást. “Ez hirtelen eltolja az atomokat a legstabilabb, legalacsonyabb energiájú állapotukból a lehető legmagasabb energiájú állapotba, mielőtt reakcióba léphetnének” – mondja Schneider. “Olyan ez, mintha egy völgyben sétálnánk, majd azonnal a hegycsúcson találnánk magunkat.”
Pozitív hőmérsékleten egy ilyen megfordulás instabil lenne, és az atomok befelé omlanának. A csapat azonban a csapdázó lézermezőt is úgy állította be, hogy energetikailag kedvezőbb legyen az atomok számára, hogy megmaradjanak a helyükön. Ez az eredmény, amelyet a Science1 folyóiratban ma ismertetnek, a gáz átmenetét jelenti az abszolút nulla pont feletti értékről néhány milliárd Kelvinnel az abszolút nulla alá.
Wolfgang Ketterle, a cambridge-i Massachusetts Institute of Technology Nobel-díjas fizikusa, aki korábban már mutatott ki negatív abszolút hőmérsékletet egy mágneses rendszerben2, “kísérleti bravúrnak” nevezi a legújabb munkát. A laboratóriumban pozitív hőmérsékleten nehezen előállítható egzotikus nagyenergiájú állapotok negatív abszolút hőmérsékleten stabilak lesznek – “mintha egy piramist fejre lehetne állítani, és nem kellene attól tartani, hogy felborul” – jegyzi meg -, így az ilyen technikák lehetővé teszik ezen állapotok részletes tanulmányozását. “Ez lehet a módja annak, hogy az anyag új formáit hozzuk létre a laboratóriumban” – teszi hozzá Ketterle.
Az ilyen rendszerek, ha megépülnének, furcsa módon viselkednének, mondja Achim Rosch, a németországi Kölni Egyetem elméleti fizikusa, aki a Schneider és csapata által használt technikát javasolta3. Rosch és kollégái például kiszámították, hogy míg az atomfelhőket normális esetben a gravitáció lefelé húzza, ha a felhő egy része negatív abszolút hőmérsékleten van, egyes atomok felfelé mozognak, látszólag dacolva a gravitációval4.
Az abszolút nulla alatti gáz másik sajátossága, hogy utánozza a “sötét energiát”, azt a titokzatos erőt, amely az Univerzumot a gravitáció befelé irányuló vonzásával szemben egyre gyorsabb tágulásra készteti. Schneider megjegyzi, hogy a csapat által előállított gázban a vonzó atomok is befelé akarnak omlani, de nem teszik, mert a negatív abszolút hőmérséklet stabilizálja őket. “Érdekes, hogy ez a furcsa tulajdonság felbukkan az Univerzumban és a laboratóriumban is” – mondja. “Lehet, hogy a kozmológusoknak ezt közelebbről is meg kellene vizsgálniuk.”