Hogyan érhető el negatív abszolút hőmérséklet?

Az abszolút nulla egy átléphetetlen határnak hangzik, amit képtelenség vizsgálni, pedig a negatív hőmérsékletek különös birodalma nem csupán elméletben létezik, de a gyakorlatban is elérhetőnek bizonyult. Egy múlt héten felvázolt új módszerrel új anyagállapotok körvonalazódhatnak.

Egy rendszerben a hőmérsékletet az határozza meg, hogyan befolyásolja a zavar, vagyis az entrópia mértékét az energia hozzáadása vagy elvonása. Az ismerős, pozitív hőmérsékletű rendszereknél az energia hozzáadása növeli a zavart. Egy jégkocka felmelegítése például olvadást eredményez, amivel az anyag egy rendezetlenebb folyadékká válik. Ha folyamatosan energiát vonunk el, akkor egyre közelebb jutunk az abszolút, vagy a Kelvin-skála nullájához, ahol a rendszer energiája és entrópiája a minimumára csökken.

A negatív hőmérsékletű rendszerek pontosan ellentétesen viselkednek, az energia hozzáadása csökkenti rendezetlenségüket. Ezek a rendszerek azonban nem a hagyományos értelemben hidegek. Valójában a negatív abszolút hőmérsékletű rendszerek több magas energiaállapotú atomot tartalmaznak, mint ami a legmagasabb pozitív hőmérsékleten lehetséges, ezért a hő mindig a nulla Kelvin fok fölötti rendszerekbe fog áramlani belőlük, mintsem elvonnák azoktól, ahogy azt a hideg klasszikus értelmezése sugallná.

A negatív - hőmérsékletű rendszerek létrehozása természetesen nem egyszerű. Az objektumok nem hűthetők abszolút nulla fokra, viszont megoldható hogy a pozitívból egyenesen átlépjünk a neve ellenére az abszulút nullánál nem hidegebb negatív abszolút hőmérsékletekbe, amit már kísérletekkel is sikerült bizonyítani.

A kísérlet lényege, hogy az atommagokat egy mágneses mezőbe helyezték, amiben parányi rúdmágnesekként viselkedtek, felsorakozva a mező mentén. Ezután a mezőt hirtelen megfordították, ezzel a magok rövid időre szembe kerültek azzal az iránnyal, amiben a legalacsonyabb energiájukban lettek volna. Abban a röpke pillanatban, amíg ebben az állapotban voltak úgy viselkedtek, mintha negatív abszolút hőmérsékletük lenne, egészen addig, míg ők is át nem billentek a mező megváltozott irányának megfelelően.

Mivel a mag csak két lehetséges állapot között ingadozhat - párhuzamos vagy ellentétes a mezővel - ez a kísérleti elrendezés csak korlátozott lehetőségeket biztosít a vizsgálódásra. 2005-ben Allard Mosk elméleti fizikus, aki jelenleg a holland Twente Egyetemen dolgozik, előállt egy kísérleti tervvel, ami nagyobb mozgásteret biztosíthat a negatív hőmérséklet kutatásához.

Elsőként lézerekkel egy magas rendezettségű, alacsony entrópiás állapotú gömbbe terelik az atomokat. Újabb lézerekkel egy fénymátrixot, úgynevezett optikai rácsot alkotnak, ami alacsony energiájú "kutakkal" veszi körül az atomgömböt. Az első lézersorozatot ezután úgy módosítják, hogy elkezdje széttolni a gömb atomjait. Ez az atomokat egy instabil állapotban hagyja, mintha egy hegycsúcson egyensúlyoznának. Az optikai rács - folytatva a fenti hasonlatot - a hegyoldal hasadékaiként szolgál, melyek megállítják a legördülő atomokat. Ez ebben az állapotban - elvéve az atomok potenciális energiájának egy részét, ami által eltávolodnak egymástól - nagyobb rendezetlenséghez vezet, ami megfelel a negatív energia-rendszer definíciójának.

Prof. Dr. Achim Rosch

Mosk elvét Achim Rosch, a Kölni Egyetem kutatója és munkatársai finomították. Az általuk javasolt kísérleti elrendezés gyakorlatilag változatlan, azonban a német csapat számításai alátámasztják az eset kivitelezhetőségét, de ami ennél is fontosabb, javasolnak egy módszert, amivel letesztelhető a kísérlet negatív hőmérséklet keltő képessége. Mivel az atomok a negatív hőmérséklet állapotban viszonylag magas energiákkal rendelkeznek, ezért gyorsabban kellene mozogniuk, amikor kiszabadulnak a rácsból, mint azt egy pozitív energiájú atomfelhő tenné.

"A kutatás azt mutatja, hogy az új módszerrel van realitása a negatív hőmérséklet elérésének laboratóriumi körülmények között" - mondta Mosk, aki nem vett részt német kollégái munkájában. "Ez olyan valami lenne, amit nagyon szeretnék látni." Rosch és munkatársai elméleti fizikusok, nincsenek meg az eszközeik a kísérlet elvégzésére, azonban úgy vélik, egy kísérleti csapat akár egy éven belül letesztelhetné elgondolásukat.

A lézerek és mágneses mezők kombinációjával az atomokat arra késztethetnék, hogy különböző erők skáláján vonzzák vagy taszítsák egymást. "Ezt felhasználhatnák új anyagállapotok létrehozására, és egészen szokatlan rendszerekben is eljátszadozhatnának velük" - mondta Rosch. Ez egy teljesen felderítetlen terület, tette hozzá, ami számos meglepetést tartogathat.