Quantum gas gaat onder het absolute nulpunt

PHOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock

De temperatuur in een gas kan onder het absolute nulpunt komen dankzij een eigenaardigheid van de quantumfysica.

Het klinkt misschien minder waarschijnlijk dan de hel die bevriest, maar natuurkundigen hebben voor het eerst een atomair gas gemaakt met een temperatuur onder het absolute nulpunt1. Hun techniek opent de deur naar het genereren van negatieve-Kelvin materialen en nieuwe quantum apparaten, en het zou zelfs kunnen helpen bij het oplossen van een kosmologisch mysterie.

Lord Kelvin definieerde de absolute temperatuurschaal in het midden van de jaren 1800 op zo’n manier dat niets kouder kon zijn dan het absolute nulpunt. Natuurkundigen realiseerden zich later dat de absolute temperatuur van een gas samenhangt met de gemiddelde energie van zijn deeltjes. Het absolute nulpunt komt overeen met de theoretische toestand waarin de deeltjes helemaal geen energie hebben, en hogere temperaturen komen overeen met hogere gemiddelde energieën.

Tegen de jaren 1950 begonnen natuurkundigen die met meer exotische systemen werkten, zich echter te realiseren dat dit niet altijd waar is: Technisch gesproken lees je de temperatuur van een systeem af uit een grafiek waarin de waarschijnlijkheid is uitgezet dat de deeltjes ervan bepaalde energieën hebben. Normaal gesproken hebben de meeste deeltjes gemiddelde of bijna gemiddelde energieën, met slechts een paar deeltjes die met hogere energieën rondzweven. In theorie, als de situatie wordt omgekeerd, met meer deeltjes met hogere in plaats van lagere energieën, zou de grafiek omdraaien en het teken van de temperatuur zou veranderen van een positieve in een negatieve absolute temperatuur, legt Ulrich Schneider uit, een natuurkundige aan de Ludwig Maximilian Universiteit in München, Duitsland.

Pieken en dalen

Schneider en zijn collega’s bereikten dergelijke sub-absolute-nul temperaturen met een ultrakoud quantum gas dat bestaat uit kalium atomen. Met behulp van lasers en magnetische velden hielden ze de individuele atomen in een roosteropstelling. Bij positieve temperaturen stoten de atomen elkaar af, waardoor de configuratie stabiel wordt. Het team paste vervolgens snel de magnetische velden aan, waardoor de atomen elkaar aantrokken in plaats van afstootten. “Hierdoor verschuiven de atomen plotseling van hun meest stabiele toestand met de laagste energie naar de hoogst mogelijke energietoestand, voordat ze kunnen reageren”, aldus Schneider. “Het is alsof je door een dal loopt en dan meteen op de bergtop staat.”

Bij positieve temperaturen zou zo’n omkering onstabiel zijn en zouden de atomen naar binnen storten. Maar het team paste ook het laserveld aan zodat het energetisch gunstiger werd voor de atomen om op hun plaats te blijven. Dit resultaat, dat vandaag in Science1 wordt beschreven, markeert de overgang van het gas van net boven het absolute nulpunt naar enkele miljardsten Kelvin onder het absolute nulpunt.

Wolfgang Ketterle, natuurkundige en Nobelprijswinnaar aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, die eerder negatieve absolute temperaturen in een magnetisch systeem2 heeft aangetoond, noemt het laatste werk een “experimentele krachttoer”. Exotische hoge-energietoestanden die in het laboratorium moeilijk te genereren zijn bij positieve temperaturen, worden stabiel bij negatieve absolute temperaturen – “alsof je een piramide op zijn kop kunt zetten en niet bang hoeft te zijn dat hij omvalt,” merkt hij op – en dus kunnen deze toestanden met dergelijke technieken in detail worden bestudeerd. “Dit kan een manier zijn om nieuwe vormen van materie in het laboratorium te creëren,” voegt Ketterle eraan toe.

Als dergelijke systemen worden gebouwd, zouden ze zich op vreemde manieren gedragen, zegt Achim Rosch, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Keulen in Duitsland, die de door Schneider en zijn team gebruikte techniek heeft voorgesteld3. Rosch en zijn collega’s hebben bijvoorbeeld berekend dat, terwijl atoomwolken normaal gesproken door de zwaartekracht naar beneden worden getrokken, als een deel van de wolk een negatieve absolute temperatuur heeft, sommige atomen zich naar boven zullen bewegen, waarbij ze de zwaartekracht lijken te trotseren4.

Een andere bijzonderheid van het sub-absolute-nulgas is dat het de ‘donkere energie’ nabootst, de mysterieuze kracht die het heelal ertoe aanzet zich steeds sneller uit te breiden tegen de inwaartse aantrekkingskracht van de zwaartekracht in. Schneider merkt op dat de attractieve atomen in het door het team geproduceerde gas ook naar binnen willen klappen, maar dat niet doen omdat de negatieve absolute temperatuur hen stabiliseert. “Het is interessant dat deze vreemde eigenschap opduikt in het heelal en ook in het lab,” zegt hij. “Dit is misschien iets waar kosmologen beter naar moeten kijken.”