Az abszolút nulla fok egy átléphetetlen határnak hangzik, amit képtelenség vizsgálni, pedig a negatív hõmérsékletek különös birodalma nem csupán elméletben létezik, de a gyakorlatban is elérhetõnek bizonyult. Egy múlt héten felvázolt új módszerrel új anyagállapotok körvonalazódhatnak.
Egy rendszerben a hõmérsékletet az határozza meg, hogy miként befolyásolja a zavar, vagyis az entrópia mértékét az energia hozzáadása vagy elvonása. Az ismerõs, pozitív hõmérsékletû 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 hõmérsékletû rendszerek pontosan ellentétesen viselkednek: az energia hozzáadása csökkenti rendezetlenségüket. Ezek a rendszerek azonban nem a hagyományos értelemben hidegek, valójában a negatív abszolút hõmérsékletû rendszerek több magas energiaállapotú atomot tartalmaznak, mint ami a legmagasabb pozitív hõmérsékleten lehetséges, ezért a hõ mindig a nulla Kelvin fok fölötti rendszerekbe fog áramlani belõlük, mintsem elvonnák azoktól, ahogy azt a hideg klasszikus értelmezése sugallná.
A negatív hõmérsékletû rendszerek létrehozása természetesen nem egyszerû, az objektumok nem hûthetõk abszolút nulla fokra, viszont megoldható hogy a pozitívból egyenesen átlépjünk a neve ellenére az abszolút nullánál nem hidegebb negatív abszolút hõmérsékletekbe, amit már kísérletekkel is sikerült bizonyítani.
A kísérlet lényege, hogy az atommagokat egy mágneses mezõbe helyezték, amiben parányi rúdmágnesekként viselkedtek, felsorakozva a mezõ mentén. Ezután a mezõt hirtelen megfordították, ezzel a magok rövid idõre 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 hõmérsékletük lenne, egészen addig, míg õk is át nem billentek a mezõ megváltozott irányának megfelelõen.
Mivel a mag csak két lehetséges állapot között ingadozhat - párhuzamos vagy ellentétes a mezõvel - ez a kísérleti elrendezés csak korlátozott lehetõségeket biztosít a vizsgálódásra. 2005-ben Allard Mosk elméleti fizikus, aki jelenleg a holland Twente Egyetemen dolgozik, elõállt egy kísérleti tervvel, ami nagyobb mozgásteret biztosíthat a negatív hõmérséklet kutatásához.
Elsõként lézerekkel egy magas rendezettségû, alacsony entrópiás állapotú gömbbe terelik az atomokat. Újabb lézerekkel egy fénymátrixot, úgynevezett optikai rácsot alkotnak, ami alacsony energiájú „kutakkal” veszi körül az atomgömböt. Az elsõ 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, és megállítja a legördülõ atomokat. Ez, ebben az állapotban, elvéve az atomok potenciális energiájának egy részét, ami által eltávolodnak egymástól, nagyobb rendezetlenséghez vezet, ami megfelel a negatív energiarendszer definíciójának.
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 kivitelezhetõségét, de ami ennél is fontosabb, javasolnak egy módszert, amivel letesztelhetõ a kísérlet negatív hõmérséklet-keltõ képessége. Mivel az atomok a negatív hõmérséklet állapotban viszonylag magas energiákkal rendelkeznek, ezért gyorsabban kellene mozogniuk, amikor kiszabadulnak a rácsból, mint azt egy pozitív energiájú atomfelhõ tenné. „A kutatás azt mutatja, hogy az új módszerrel van realitása a negatív hõmérséklet elérésének laboratóriumi körülmények között”. „Ez olyan valami lenne, amit nagyon szeretnék látni”- mondta Mosk, aki nem vett részt német kollégái munkájában. 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 mezõk kombinációjával az atomokat arra késztethetnék, hogy különbözõ erõk 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.