Gaz kwantowy schodzi poniżej zera absolutnego
PHOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock
Temperatura w gazie może osiągnąć poniżej zera absolutnego dzięki dziwactwu fizyki kwantowej.
Może to brzmieć mniej prawdopodobnie niż zamarznięcie piekła, ale fizycy po raz pierwszy stworzyli gaz atomowy o temperaturze poniżej zera absolutnego1. Ich technika otwiera drzwi do generowania materiałów o ujemnej temperaturze Kelvina i nowych urządzeń kwantowych, a nawet może pomóc w rozwiązaniu zagadki kosmologicznej.
Lord Kelvin zdefiniował skalę temperatury absolutnej w połowie XIX wieku w taki sposób, że nic nie może być zimniejsze niż zero absolutne. Fizycy zdali sobie później sprawę, że temperatura bezwzględna gazu jest związana ze średnią energią jego cząsteczek. Zero bezwzględne odpowiada teoretycznemu stanowi, w którym cząstki nie mają żadnej energii, a wyższe temperatury odpowiadają wyższym średnim energiom.
Jednakże w latach 50. fizycy pracujący z bardziej egzotycznymi układami zaczęli zdawać sobie sprawę, że nie zawsze jest to prawdą: Technicznie rzecz biorąc, temperaturę układu odczytuje się z wykresu przedstawiającego prawdopodobieństwo znalezienia cząstek o określonych energiach. Zwykle większość cząstek ma energie średnie lub zbliżone do średniej, a tylko kilka cząstek osiąga wyższe energie. W teorii, jeśli sytuacja jest odwrócona, z większą ilością cząstek o wyższych, a nie niższych energiach, wykres odwróci się, a znak temperatury zmieni się z dodatniej na ujemną temperaturę absolutną, wyjaśnia Ulrich Schneider, fizyk z Uniwersytetu Ludwiga Maximiliana w Monachium, Niemcy.
Pikiety i doliny
Schneider i jego koledzy osiągnęli takie sub-absolutnie zerowe temperatury za pomocą ultra-zimnego gazu kwantowego składającego się z atomów potasu. Używając laserów i pól magnetycznych, utrzymywali poszczególne atomy w układzie kratowym. W dodatnich temperaturach atomy odpychają się, dzięki czemu konfiguracja jest stabilna. Następnie zespół szybko dostosował pola magnetyczne, powodując, że atomy zaczęły się przyciągać, a nie odpychać. „To nagle przesuwa atomy z ich najbardziej stabilnego, najniższego stanu energetycznego do najwyższego możliwego stanu energetycznego, zanim zdążą zareagować”, mówi Schneider. „To jak spacer przez dolinę, a następnie natychmiastowe znalezienie się na szczycie góry.”
W temperaturach dodatnich takie odwrócenie byłoby niestabilne i atomy zapadłyby się do wewnątrz. Ale zespół dostosował również pole lasera pułapkującego, aby uczynić go bardziej korzystnym energetycznie dla atomów, aby pozostały na swoich pozycjach. Wynik ten, opisany dziś w Science1, oznacza przejście gazu z poziomu tuż powyżej zera absolutnego do kilku miliardowych części Kelvina poniżej zera absolutnego.
Wolfgang Ketterle, fizyk i laureat Nagrody Nobla z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge, który wcześniej zademonstrował ujemne temperatury absolutne w układzie magnetycznym2, nazywa najnowszą pracę „eksperymentalnym tour de force”. Egzotyczne stany wysokoenergetyczne, które są trudne do wygenerowania w laboratorium w temperaturach dodatnich, stają się stabilne w ujemnych temperaturach bezwzględnych – „tak jakbyś mógł postawić piramidę na głowie i nie martwić się, że się przewróci” – zauważa – i dlatego takie techniki mogą pozwolić na szczegółowe zbadanie tych stanów. „To może być sposób na tworzenie nowych form materii w laboratorium” – dodaje Ketterle.
Jeśli takie układy zostaną zbudowane, będą zachowywać się w dziwny sposób, mówi Achim Rosch, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Kolonii w Niemczech, który zaproponował technikę zastosowaną przez Schneidera i jego zespół3. Na przykład, Rosch i jego koledzy obliczyli, że podczas gdy chmury atomów byłyby normalnie ciągnięte w dół przez grawitację, jeśli część chmury ma ujemną temperaturę absolutną, niektóre atomy będą poruszać się w górę, najwyraźniej przecząc grawitacji4.
Inną osobliwością gazu o temperaturze poniżej zera absolutnego jest to, że naśladuje on „ciemną energię”, tajemniczą siłę, która popycha Wszechświat do rozszerzania się w coraz szybszym tempie, wbrew przyciągającej grawitacji. Schneider zauważa, że atrakcyjne atomy w gazie wyprodukowanym przez zespół również chcą zapaść się do wewnątrz, ale nie robią tego, ponieważ ujemna temperatura bezwzględna stabilizuje je. „To interesujące, że ta dziwna cecha wyskakuje we Wszechświecie, a także w laboratorium” – mówi. „To może być coś, czemu kosmolodzy powinni przyjrzeć się bliżej”
.