Kvanttikaasu menee absoluuttisen nollapisteen alapuolelle
PHOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock
Kvanttifysiikan omituisen piirteen ansiosta kaasun lämpötila voi laskea absoluuttisen nollapisteen alle.
Se saattaa kuulostaa epätodennäköisemmältä kuin helvetin jäätyminen, mutta fyysikot ovat luoneet ensimmäistä kertaa atomikaasun, jonka lämpötila on alle absoluuttisen nollan1. Heidän tekniikkansa avaa oven negatiivisen kelvinin materiaalien ja uusien kvanttilaitteiden tuottamiseen, ja se voi jopa auttaa ratkaisemaan kosmologisen mysteerin.
Lordi Kelvin määritteli absoluuttisen lämpötila-asteikon 1800-luvun puolivälissä siten, että mikään ei voi olla absoluuttista nollaa kylmempää. Myöhemmin fyysikot ymmärsivät, että kaasun absoluuttinen lämpötila on yhteydessä sen hiukkasten keskimääräiseen energiaan. Absoluuttinen nollapiste vastaa teoreettista tilaa, jossa hiukkasilla ei ole lainkaan energiaa, ja korkeammat lämpötilat vastaavat korkeampia keskimääräisiä energioita.
Viisikymmentäluvulla eksoottisempien systeemien parissa työskentelevät fyysikot alkoivat kuitenkin tajuta, että tämä ei aina pidä paikkaansa: Teknisesti systeemin lämpötila luetaan kuvaajasta, joka piirtää todennäköisyyksiä sille, että sen hiukkaset löytyvät tietyillä energioilla. Tavallisesti useimmilla hiukkasilla on keskimääräinen tai lähes keskimääräinen energia, ja vain muutamat hiukkaset sinkoilevat korkeammilla energioilla. Teoriassa, jos tilanne olisi päinvastainen ja useammalla hiukkasella olisi korkeampi eikä matalampi energia, kuvaaja kääntyisi toisinpäin ja lämpötilan merkki muuttuisi positiivisesta absoluuttisesta lämpötilasta negatiiviseksi, selittää Münchenissä Saksassa sijaitsevan Ludwig Maximilian -yliopiston fyysikko Ulrich Schneider.
Huippuja ja laaksoja
Schneider kollegoineen saavutti tällaiset absoluuttisen nollan alapuolella olevat lämpötilat ultrakylmällä kvanttikaasulla, joka koostui kaliumatomeista. Lasereiden ja magneettikenttien avulla he pitivät yksittäiset atomit ristikkojärjestyksessä. Positiivisissa lämpötiloissa atomit hylkivät toisiaan, mikä tekee kokoonpanosta vakaan. Sen jälkeen työryhmä sääti nopeasti magneettikenttiä, jolloin atomit alkoivat pikemminkin vetää kuin hylkiä toisiaan. ”Tämä siirtää atomit yhtäkkiä vakaimmasta, matalaenergisimmasta tilastaan korkeimpaan mahdolliseen energiatilaan, ennen kuin ne voivat reagoida”, Schneider sanoo. ”Se on kuin kävelisi laakson läpi ja löytäisi itsensä hetkessä vuorenhuipulta.”
Positiivisissa lämpötiloissa tällainen kääntyminen olisi epävakaata ja atomit romahtaisivat sisäänpäin. Ryhmä kuitenkin sääteli myös loukuttavaa laserkenttää, jotta atomien pysyminen paikoillaan olisi energeettisesti edullisempaa. Tämä tulos, joka kuvataan tänään Science-lehdessä1, merkitsee kaasun siirtymistä hieman absoluuttisen nollapisteen yläpuolelta muutaman miljardin kelvinin sadasosan absoluuttisen nollapisteen alapuolelle.
Wolfgang Ketterle, Cambridgessa sijaitsevan Massachusetts Institute of Technologyn fyysikko ja Nobel-palkittu, joka on aiemmin osoittanut negatiivisia absoluuttisia lämpötiloja magneettisessa systeemissä2, kutsuu viimeisintä työtä ”kokeelliseksi voimannäytteeksi”. Eksoottiset korkean energian tilat, joita on vaikea tuottaa laboratoriossa positiivisissa lämpötiloissa, muuttuvat stabiileiksi negatiivisissa absoluuttisissa lämpötiloissa – ”ikään kuin pyramidi voitaisiin asettaa päälaelleen, eikä sen kaatumisesta tarvitsisi huolehtia”, hän huomauttaa – joten tällaisilla tekniikoilla näitä tiloja voidaan tutkia yksityiskohtaisesti. ”Tämä voi olla keino luoda uusia aineen muotoja laboratoriossa”, Ketterle lisää.
Jos tällaiset systeemit rakennettaisiin, ne käyttäytyisivät oudosti, sanoo Achim Rosch, Kölnin yliopiston teoreettinen fyysikko Saksassa, joka ehdotti Schneiderin ja hänen ryhmänsä käyttämää tekniikkaa3. Rosch ja hänen kollegansa ovat esimerkiksi laskeneet, että vaikka normaalisti painovoima vetäisi atomipilviä alaspäin, jos osa pilvestä on negatiivisessa absoluuttisessa lämpötilassa, osa atomeista liikkuu ylöspäin ilmeisesti painovoimaa uhmaten4.
Absoluuttisen nollapisteen alapuolella olevan kaasun toinen erityispiirre on se, että se jäljittelee ”pimeää energiaa”, sitä salaperäistä voimaa, joka työntää maailmankaikkeuden laajenemaan aina vain nopeammassa tahdissa vastoin sisäänpäin suuntautuvaa vetoa. Schneider toteaa, että ryhmän tuottaman kaasun vetovoimaiset atomit haluaisivat myös luhistua sisäänpäin, mutta eivät luhistu, koska negatiivinen absoluuttinen lämpötila vakauttaa ne. ”On mielenkiintoista, että tämä outo piirre esiintyy maailmankaikkeudessa ja myös laboratoriossa”, hän sanoo. ”Tämä voi olla jotain, mitä kosmologien pitäisi tutkia tarkemmin.”