Quantengas sinkt unter den absoluten Nullpunkt
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Dank einer Eigenart der Quantenphysik kann die Temperatur in einem Gas unter den absoluten Nullpunkt sinken.
Es mag unwahrscheinlicher klingen, als dass die Hölle zufriert, aber Physiker haben zum ersten Mal ein atomares Gas mit einer Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt erzeugt1. Ihre Technik öffnet die Tür zur Erzeugung von Negativ-Kelvin-Materialien und neuen Quantengeräten und könnte sogar dazu beitragen, ein kosmologisches Rätsel zu lösen.
Lord Kelvin definierte Mitte des 18. Jahrhunderts die absolute Temperaturskala so, dass nichts kälter als der absolute Nullpunkt sein konnte. Später erkannten die Physiker, dass die absolute Temperatur eines Gases mit der durchschnittlichen Energie seiner Teilchen zusammenhängt. Der absolute Nullpunkt entspricht dem theoretischen Zustand, in dem die Teilchen überhaupt keine Energie haben, und höhere Temperaturen entsprechen höheren Durchschnittsenergien.
In den 1950er Jahren begannen die Physiker, die mit exotischeren Systemen arbeiteten, jedoch zu erkennen, dass dies nicht immer zutrifft: Technisch gesehen liest man die Temperatur eines Systems an einem Diagramm ab, das die Wahrscheinlichkeiten für das Vorhandensein von Teilchen mit bestimmten Energien aufzeigt. Normalerweise haben die meisten Teilchen durchschnittliche oder nahezu durchschnittliche Energien, und nur einige wenige Teilchen tummeln sich bei höheren Energien. Theoretisch würde sich das Diagramm umdrehen, wenn mehr Teilchen höhere als niedrigere Energien hätten, und das Vorzeichen der Temperatur würde von einer positiven zu einer negativen absoluten Temperatur wechseln, erklärt Ulrich Schneider, Physiker an der Ludwig-Maximilians-Universität München.
Spitzen und Täler
Schneider und seine Kollegen erreichten solche Temperaturen unter dem absoluten Nullpunkt mit einem ultrakalten Quantengas, das aus Kaliumatomen besteht. Mit Hilfe von Lasern und Magnetfeldern hielten sie die einzelnen Atome in einer Gitteranordnung. Bei positiven Temperaturen stoßen sich die Atome ab, wodurch die Konfiguration stabil wird. Dann stellte das Team die Magnetfelder schnell so ein, dass sich die Atome anziehen, anstatt sich abzustoßen. „Dadurch werden die Atome plötzlich von ihrem stabilsten, energieärmsten Zustand in den höchstmöglichen Energiezustand versetzt, bevor sie reagieren können“, sagt Schneider. „
Bei positiven Temperaturen wäre eine solche Umkehrung instabil und die Atome würden nach innen kollabieren. Das Team hat jedoch auch das Laserfeld so eingestellt, dass es für die Atome energetisch günstiger ist, in ihrer Position zu bleiben. Dieses Ergebnis, das heute in Science1 beschrieben wird, markiert den Übergang des Gases von knapp über dem absoluten Nullpunkt zu einigen Milliardstel Kelvin unter dem absoluten Nullpunkt.
Wolfgang Ketterle, Physiker und Nobelpreisträger am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, der bereits negative absolute Temperaturen in einem magnetischen System2 nachgewiesen hat, nennt die jüngste Arbeit eine „experimentelle Meisterleistung“. Exotische Hochenergiezustände, die im Labor bei positiven Temperaturen nur schwer zu erzeugen sind, werden bei negativen absoluten Temperaturen stabil – „als ob man eine Pyramide auf den Kopf stellen könnte, ohne sich Sorgen zu machen, dass sie umkippt“, stellt er fest – und so können diese Zustände mit solchen Techniken im Detail untersucht werden. „Dies könnte eine Möglichkeit sein, neue Formen von Materie im Labor zu erzeugen“, fügt Ketterle hinzu.
Wenn solche Systeme gebaut würden, würden sie sich auf seltsame Weise verhalten, sagt Achim Rosch, ein theoretischer Physiker an der Universität Köln in Deutschland, der die von Schneider und seinem Team verwendete Technik vorgeschlagen hat3. Rosch und seine Kollegen haben zum Beispiel berechnet, dass Atomwolken normalerweise von der Schwerkraft nach unten gezogen werden, dass sich aber einige Atome nach oben bewegen, wenn ein Teil der Wolke eine negative absolute Temperatur hat, und damit offenbar der Schwerkraft trotzen4.
Eine weitere Besonderheit des Gases unterhalb des absoluten Nullpunkts ist, dass es die „dunkle Energie“ nachahmt, die geheimnisvolle Kraft, die das Universum dazu bringt, sich entgegen der Schwerkraft immer schneller auszudehnen. Schneider stellt fest, dass die attraktiven Atome in dem vom Team erzeugten Gas ebenfalls nach innen kollabieren wollen, dies aber nicht tun, weil die negative absolute Temperatur sie stabilisiert. „Es ist interessant, dass diese merkwürdige Eigenschaft im Universum und auch im Labor auftaucht“, sagt er. „Dies könnte etwas sein, das Kosmologen genauer untersuchen sollten.“