Πώς να δημιουργήσετε θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν

Το απόλυτο μηδέν μοιάζει να είναι το σταθερό όριο πέραν του οποίου είναι αδύνατο να εξερευνήσουμε. Στην πραγματικότητα υπάρχει ένα παράξενο βασίλειο αρνητικών θερμοκρασιών, που δεν υπάρχει μόνο στη θεωρία, αλλά έχει αποδειχθεί, επίσης, ότι είναι προσβάσιμες και στην πράξη! Ένας βελτιωμένος τρόπος για να το πετύχουμε σκιαγραφήθηκε πριν λίγες μέρες, οπότε θα μπορούσε να μας αποκαλύψει και νέες καταστάσεις της ύλης.

Η θερμοκρασία ορίζεται από το πώς η προσθήκη ή η αφαίρεση της ενέργειας επηρεάζει το μέγεθος της αταξίας, ή εντροπίας, σε ένα σύστημα. Για συστήματα σε οικεία, με θετικές θερμοκρασίες, η πρόσθεση ενέργειας αυξάνει την αταξία. Για παράδειγμα, θερμαίνοντας ένα κρύσταλλο πάγου τον μετατρέπουμε σε υγρό με περισσότερη αταξία.. Αν αφαιρείτε συνεχώς ενέργεια, θα πλησιάζετε συνεχώς στο απόλυτο μηδέν στην κλίμακα Κelvin (-273,15 ° C), όπου η ενέργεια του συστήματος και η εντροπία είναι σε ένα ελάχιστο.

Τα συστήματα με αρνητική θερμοκρασία έχουν την αντίθετη συμπεριφορά. Η προσθήκη ενέργειας μειώνει την αταξία τους, και ως εκ τούτου τη θερμοκρασία τους.

Αλλά δεν είναι ψυχρά με τη συμβατική έννοια ότι θα εισρεύσει σε αυτά θερμότητα, από συστήματα με θετικές θερμοκρασίες. Στην πραγματικότητα, συστήματα με αρνητικές απόλυτες θερμοκρασίες περιέχουν περισσότερα άτομα σε καταστάσεις υψηλής ενέργειας από ό,τι είναι δυνατόν ακόμη και στις πιο καυτές θετικές θερμοκρασίες, έτσι ώστε η θερμότητα θα πρέπει πάντα να ρέει από αυτά (αρνητικής θερμοκρασίας) σε συστήματα πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Η δημιουργία συστημάτων αρνητικής θερμοκρασίας, με την πολύ περίεργη κατάσταση και ιδιότητες, είναι δύσκολη. Δεν γίνεται σίγουρα αν ψύξουμε ένα αντικείμενο κάτω από το απόλυτο μηδέν. Είναι, ωστόσο, δυνατό να πηδήξουμε κατ ‘ευθείαν από τις θετικές στις αρνητικές απόλυτες θερμοκρασίες.

Αυτό έχει ήδη γίνει σε πειράματα στα οποία οι πυρήνες των ατόμων τοποθετήθηκαν μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, όπου δρουν σαν ευθύγραμμοι μικροσκοπικοί μαγνήτες και είναι ευθυγραμμισμένοι με το πεδίο. Το πεδίο τότε ξαφνικά αντιστρέφεται, αφήνοντας τους πυρήνες σε μικρό χρονικό διάστημα να ευθυγραμμιστούν αντίθετα με την κατεύθυνση προς την οποία θα είχαν τη χαμηλότερη ενέργεια. Δηλαδή, ενώ ήταν σε αυτή την κατάσταση, φευγαλέα συμπεριφέρθηκαν σαν να είχαν αρνητική απόλυτη θερμοκρασία, προτού αυτά αλλάξουν και ευθυγραμμιστούν με το πεδίο.

Επειδή οι πυρήνες μπορεί μόνο να έχουν δύο δυνατές καταστάσεις – παράλληλα προς το πεδίο ή αντίθετα σε αυτό – αυτή η πειραματική διάταξη προσφέρει περιορισμένες μόνο δυνατότητες για έρευνα. Το 2005 ο Allard Mosk, στο Πανεπιστήμιο Τβέντε της Ολλανδίας, επινόησε ένα καλύτερο πείραμα για να εξερευνήσει το αρνητικό καθεστώς της θερμοκρασίας.

Πρώτον, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώνουν τα άτομα σε μια σφιχτή μπάλα, η οποία βρίσκεται σε μια κατάσταση χαμηλής εντροπίας ή υψηλής τάξης. Άλλα λέιζερ στη συνέχεια κτυπούν πάνω τους για να δημιουργήσουν ένα οπτικό πλέγμα, το οποίο περιβάλλει τη μπάλα των ατόμων με μια σειρά από χαμηλής ενέργειας "πηγάδια".

Τελικά, τα άτομα αποκτούν μια ασταθή κατάσταση, σαν να ισορροπούν στην κορυφή του βουνού, έτοιμα να κυλήσουν προς τα κάτω.

Το οπτικό πλέγμα δρα σαν μια σειρά από σχισμές κατά μήκος της πλαγιάς του βουνού, που δρα σαν να σταματάει την ‘πτώση’ τους. Σε αυτή την κατάσταση, την άρση ορισμένων από ενεργειακού δυναμικού των ατόμων », αφήνοντας τους καταλόγους μακριά από τον άλλον, θα οδηγήσει σε μεγαλύτερη αναταραχή – ο ίδιος ο ορισμός ενός αρνητικού συστήματος της θερμοκρασίας (βλέπε γράφημα).

Οι ιδέες του Mosk τώρα έχουν τελειοποιηθεί από τον Achim Rösch του πανεπιστημίου της Κολωνίας. Η δική του πειραματική διάταξη είναι ουσιαστικά η ίδια, αλλά οι υπολογισμοί του Rösch ενισχύουν την πεποίθηση ότι είναι εφικτή η κατασκευή αρνητικών θερμοκρασιών.

Δεδομένου ότι τα άτομα με κατάσταση αρνητικής θερμοκρασίας έχουν σχετικά υψηλές ενέργειες, θα πρέπει να κινούνται γρηγορότερα όταν ελευθερώνονται από το πλέγμα, από ό,τι θα ήταν ένα νέφος από άτομα με θετική θερμοκρασία (Physical Review Letters).