Kvantgas går under den absoluta nollpunkten
PHOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock
Temperaturen i en gas kan nå under den absoluta nollpunkten tack vare en egenhet i kvantfysiken.
Det låter kanske mindre troligt än att helvetet fryser till is, men fysiker har för första gången skapat en atomgas med en temperatur under den absoluta nollpunkten1. Deras teknik öppnar dörren för att generera material med negativ Kelvin och nya kvantanordningar, och den kan till och med bidra till att lösa ett kosmologiskt mysterium.
Lord Kelvin definierade den absoluta temperaturskalan i mitten av 1800-talet på ett sådant sätt att ingenting kunde vara kallare än den absoluta nollpunkten. Fysiker insåg senare att den absoluta temperaturen hos en gas är relaterad till den genomsnittliga energin hos dess partiklar. Den absoluta nollpunkten motsvarar det teoretiska tillstånd där partiklarna inte har någon energi alls, och högre temperaturer motsvarar högre genomsnittliga energier.
På 1950-talet började dock fysiker som arbetade med mer exotiska system inse att detta inte alltid stämmer: Tekniskt sett avläser man temperaturen för ett system från en graf som visar sannolikheterna för att dess partiklar finns med vissa energier. Normalt sett har de flesta partiklar en genomsnittlig eller nästan genomsnittlig energi, med endast ett fåtal partiklar som rusar runt med högre energier. I teorin kan man säga att om situationen är omvänd, med fler partiklar med högre snarare än lägre energier, skulle diagrammet vända och temperaturens tecken skulle ändras från en positiv till en negativ absolut temperatur, förklarar Ulrich Schneider, fysiker vid Ludwig Maximilian-universitetet i München, Tyskland.
Toppar och dalar
Schneider och hans kollegor uppnådde sådana sub-absoluta nolltemperaturer med en ultrakall kvantgas som består av kaliumatomer. Med hjälp av lasrar och magnetfält höll de de enskilda atomerna i ett gitterarrangemang. Vid positiva temperaturer stöter atomerna bort varandra, vilket gör konfigurationen stabil. Teamet justerade sedan snabbt magnetfälten, vilket fick atomerna att attrahera varandra i stället för att stöta bort varandra. ”Detta flyttar plötsligt atomerna från deras mest stabila, lägsta energitillstånd till det högsta möjliga energitillståndet, innan de kan reagera”, säger Schneider. ”Det är som att gå genom en dal och sedan omedelbart befinna sig på bergstoppen.”
Vid positiva temperaturer skulle en sådan omkastning vara instabil och atomerna skulle kollapsa inåt. Men teamet justerade också laserfältet för att göra det mer energimässigt gynnsamt för atomerna att hålla sig kvar i sina positioner. Detta resultat, som beskrivs idag i Science1, markerar gasens övergång från strax över den absoluta nollpunkten till några miljarddels Kelvin under den absoluta nollpunkten.
Wolfgang Ketterle, fysiker och nobelpristagare vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, som tidigare har påvisat negativa absoluta temperaturer i ett magnetiskt system2, kallar det senaste arbetet för en ”experimentell tour de force”. Exotiska tillstånd med hög energi som är svåra att generera i laboratoriet vid positiva temperaturer blir stabila vid negativa absoluta temperaturer – ”som om man kan ställa en pyramid på huvudet utan att oroa sig för att den ska välta”, påpekar han – och därför kan sådana tekniker göra det möjligt att studera dessa tillstånd i detalj. ”Detta kan vara ett sätt att skapa nya former av materia i laboratoriet”, tillägger Ketterle.
Om sådana system byggs skulle de uppträda på märkliga sätt, säger Achim Rosch, teoretisk fysiker vid universitetet i Köln i Tyskland, som föreslog den teknik som Schneider och hans grupp använder3. Rosch och hans kollegor har till exempel beräknat att moln av atomer normalt skulle dras nedåt av gravitationen, men om en del av molnet har en negativ absolut temperatur kommer vissa atomer att röra sig uppåt, vilket till synes trotsar gravitationen4.
En annan egenhet hos gasen som befinner sig under den absoluta nollpunkten är att den efterliknar den ”mörka energin”, den mystiska kraft som driver universum till att expandera allt snabbare, i strid med gravitationens dragning inåt. Schneider påpekar att de attraktiva atomerna i den gas som laget producerat också vill kollapsa inåt, men att de inte gör det eftersom den negativa absoluta temperaturen stabiliserar dem. ”Det är intressant att den här konstiga funktionen dyker upp i universum och även i laboratoriet”, säger han. ”Detta kan vara något som kosmologer bör titta närmare på.”