Un gaz cuantic coboară sub zero absolut
PHOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock
Temperatura unui gaz poate ajunge sub zero absolut datorită unei ciudățenii a fizicii cuantice.
Poate suna mai puțin probabil decât înghețarea iadului, dar fizicienii au creat pentru prima dată un gaz atomic cu o temperatură sub zero absolut1. Tehnica lor deschide ușa către generarea de materiale cu Kelvin negativ și noi dispozitive cuantice, și ar putea chiar ajuta la rezolvarea unui mister cosmologic.
Lord Kelvin a definit scara temperaturii absolute la mijlocul anilor 1800 în așa fel încât nimic nu putea fi mai rece decât zero absolut. Fizicienii au realizat ulterior că temperatura absolută a unui gaz este legată de energia medie a particulelor sale. Zeroul absolut corespunde stării teoretice în care particulele nu au deloc energie, iar temperaturile mai ridicate corespund unor energii medii mai mari.
Cu toate acestea, prin anii 1950, fizicienii care lucrau cu sisteme mai exotice au început să realizeze că acest lucru nu este întotdeauna adevărat: Din punct de vedere tehnic, temperatura unui sistem se citește de pe un grafic care trasează probabilitățile ca particulele sale să se găsească cu anumite energii. În mod normal, majoritatea particulelor au energii medii sau aproape medii, doar câteva particule având energii mai mari. În teorie, dacă situația este inversată, cu mai multe particule având energii mai mari, în loc de mai mici, graficul s-ar răsturna și semnul temperaturii s-ar schimba de la o temperatură absolută pozitivă la una negativă, explică Ulrich Schneider, fizician la Universitatea Ludwig Maximilian din München, Germania.
Peci și văi
Schneider și colegii săi au atins astfel de temperaturi sub zero absolut cu un gaz cuantic ultrafrigorific alcătuit din atomi de potasiu. Folosind lasere și câmpuri magnetice, ei au menținut atomii individuali într-un aranjament de rețea. La temperaturi pozitive, atomii se resping, ceea ce face ca această configurație să fie stabilă. Apoi, echipa a ajustat rapid câmpurile magnetice, făcând ca atomii să se atragă în loc să se respingă reciproc. „Acest lucru deplasează brusc atomii din starea lor cea mai stabilă, de cea mai joasă energie, în cea mai înaltă stare de energie posibilă, înainte ca aceștia să poată reacționa”, spune Schneider. „Este ca și cum ai merge printr-o vale, apoi te-ai trezi instantaneu pe vârful muntelui.”
La temperaturi pozitive, o astfel de inversare ar fi instabilă și atomii s-ar prăbuși spre interior. Dar echipa a ajustat, de asemenea, câmpul laser de captare pentru a-l face mai favorabil din punct de vedere energetic pentru ca atomii să rămână în pozițiile lor. Acest rezultat, descris astăzi în Science1, marchează tranziția gazului de la puțin peste zero absolut la câteva miliardimi de Kelvin sub zero absolut.
Wolfgang Ketterle, fizician și laureat al premiului Nobel la Massachusetts Institute of Technology din Cambridge, care a demonstrat anterior temperaturi absolute negative într-un sistem magnetic2, numește cea mai recentă lucrare un „tur de forță experimental”. Stările exotice de înaltă energie care sunt greu de generat în laborator la temperaturi pozitive devin stabile la temperaturi absolute negative – „ca și cum ai putea să pui o piramidă în cap și să nu-ți faci griji că se va răsturna”, notează el – și astfel, astfel de tehnici pot permite studierea în detaliu a acestor stări. „Aceasta poate fi o modalitate de a crea noi forme de materie în laborator”, adaugă Ketterle.
Dacă ar fi construite, astfel de sisteme s-ar comporta în moduri ciudate, spune Achim Rosch, fizician teoretician la Universitatea din Köln, Germania, care a propus tehnica folosită de Schneider și echipa sa3. De exemplu, Rosch și colegii săi au calculat că, în timp ce norii de atomi ar fi în mod normal trași în jos de gravitație, dacă o parte a norului se află la o temperatură absolută negativă, unii atomi se vor deplasa în sus, aparent sfidând gravitația4.
O altă particularitate a gazului sub zero absolut este că acesta imită „energia întunecată”, forța misterioasă care împinge Universul să se extindă într-un ritm tot mai rapid împotriva atracției gravitației spre interior. Schneider remarcă faptul că atomii atrăgători din gazul produs de echipă vor, de asemenea, să se prăbușească spre interior, dar nu o fac deoarece temperatura absolută negativă îi stabilizează. „Este interesant faptul că această trăsătură ciudată apare în Univers și, de asemenea, în laborator”, spune el. „Acesta ar putea fi un lucru pe care cosmologii ar trebui să-l analizeze mai atent.”
.