Gás quântico vai abaixo do zero absoluto
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Temperatura num gás pode chegar abaixo do zero absoluto graças a um quirk da física quântica.
Pode parecer menos provável que o inferno congele, mas os físicos criaram um gás atómico com uma temperatura subabsoluta-zero pela primeira vez1. Sua técnica abre a porta para gerar materiais Kelvin negativos e novos dispositivos quânticos, e poderia até ajudar a resolver um mistério cosmológico.
O Senhor Kelvin definiu a escala de temperatura absoluta em meados do século XVIII de tal forma que nada poderia ser mais frio do que o zero absoluto. Os físicos mais tarde perceberam que a temperatura absoluta de um gás está relacionada com a energia média das suas partículas. O zero absoluto corresponde ao estado teórico no qual as partículas não têm energia e as temperaturas mais elevadas correspondem a energias médias superiores.
No entanto, nos anos 50, os físicos que trabalham com sistemas mais exóticos começaram a perceber que isto nem sempre é verdade: Tecnicamente, lê-se a temperatura de um sistema a partir de um gráfico que traça as probabilidades das suas partículas serem encontradas com certas energias. Normalmente, a maioria das partículas tem energias médias ou próximas da média, com apenas algumas poucas partículas a ziguezaguear com energias mais elevadas. Em teoria, se a situação fosse invertida, com mais partículas tendo energias mais altas, em vez de mais baixas, o gráfico virava e o sinal da temperatura mudaria de uma temperatura absoluta positiva para uma negativa, explica Ulrich Schneider, um físico da Universidade Ludwig Maximilian em Munique, Alemanha.
Peaks e vales
Schneider e seus colegas atingiram tais temperaturas sub-absolutas-zero com um gás quântico ultra-frio composto de átomos de potássio. Usando lasers e campos magnéticos, eles mantiveram os átomos individuais em uma disposição em malha. A temperaturas positivas, os átomos repelem, tornando a configuração estável. A equipe então ajustou rapidamente os campos magnéticos, fazendo com que os átomos se atraíssem em vez de se repelirem uns aos outros. “Isto muda subitamente os átomos do seu estado mais estável e de menor energia para o estado de maior energia possível, antes que eles possam reagir”, diz Schneider. “É como caminhar por um vale, depois encontrar-se instantaneamente no pico da montanha”
A temperaturas positivas, tal inversão seria instável e os átomos entrariam em colapso. Mas a equipe também ajustou o campo de laser de armadilha para torná-lo mais energeticamente favorável para que os átomos ficassem em suas posições. Este resultado, descrito hoje em Science1, marca a transição do gás de um pouco acima do zero absoluto para alguns bilhões de Kelvin abaixo do zero absoluto.
Wolfgang Ketterle, físico e prêmio Nobel do Massachusetts Institute of Technology em Cambridge, que já demonstrou temperaturas negativas absolutas em um sistema magnético2, chama o último trabalho de “tour de force experimental”. Os estados exóticos de alta energia que são difíceis de gerar no laboratório a temperaturas positivas tornam-se estáveis a temperaturas absolutas negativas – “como se você pudesse suportar uma pirâmide na cabeça e não se preocupar com a sua queda”, observa ele – e, portanto, tais técnicas podem permitir que esses estados sejam estudados em detalhes. “Esta pode ser uma forma de criar novas formas de matéria no laboratório”, acrescenta Ketterle.
Se construídos, tais sistemas se comportariam de formas estranhas, diz Achim Rosch, um físico teórico da Universidade de Colônia na Alemanha, que propôs a técnica usada por Schneider e sua equipe3. Por exemplo, Rosch e seus colegas calcularam que enquanto nuvens de átomos seriam normalmente puxadas para baixo pela gravidade, se parte da nuvem estiver a uma temperatura absoluta negativa, alguns átomos se moverão para cima, aparentemente desafiando a gravidade4,
Outra peculiaridade do gás subabsoluto-zero é que ele imita a ‘energia escura’, a força misteriosa que empurra o Universo para se expandir a um ritmo cada vez mais rápido contra a atração interna da gravidade. Schneider observa que os átomos atraentes do gás produzido pela equipe também querem entrar em colapso, mas não porque a temperatura negativa absoluta os estabiliza. “É interessante que esta característica estranha apareça no Universo e também no laboratório”, diz Schneider. “Isto pode ser algo que os cosmólogos deveriam olhar mais de perto.”