Nuvem de átomos vai além do zero absoluto

Temperatura depende da paisagem de energia(Foto: Universidade Ludwig Maximilian de Munique)

Nada é mais frio do que o zero absoluto, por isso parece absurdo falar de temperatura negativa - mas agora há uma substância que deve ter apenas isso. A revelação pode abalar nossas idéias sobre temperatura e nos ajudar a entender entidades estranhas, tais como a energia escura, bem como as interações das partículas subatômicas.

Apesar de estarmos acostumados a falar temperaturas negativas, como a -10 ° C, todas as temperaturas em um termômetro comum são realmente positivo quando medido em kelvin, a escala de temperatura científico que começa no zero absoluto (-273,15 ° C).

Na escala Kelvin, a temperatura é determinada pela energia cinética das partículas, de modo um gás de partículas lentas é mais frio do que um gás de movimento rápido entes. Zero absoluto corresponde ao ponto em que as partículas param de se mover completamente, e é por isso nada pode estar mais frio.

Que não contam toda a história, no entanto. A temperatura também depende da maneira em que as energias de partícula são distribuídos no interior do gás, que determina a sua entropia, ou distúrbio.

Panorama energético

Acima do zero absoluto, a adição de mais energia corresponde a um aumento da entropia. Imagem de uma colina próxima a um vale (ver imagem) com a altura da paisagem correspondente à energia de uma partícula - ea chance de encontrar uma partícula a uma certa altura representando entropia.A zero absoluto, as partículas estão imóveis e todos têm nenhuma energia assim estão todos na parte inferior do vale, dando uma entropia mínima.

Como o gás se aquece, a energia média das partículas aumenta, com alguns lotes de ganhar energia extra, mas a maioria apenas uma pequena quantidade. Espalhar ao longo do lado da colina, que as partículas agora têm energias diferentes, de modo a entropia mais elevada é.

De acordo com a definição entrópica temperatura, a temperatura mais alta possível positivo corresponde ao estado mais desordenada do sistema. Este seria um número igual de partículas em cada ponto da paisagem. Aumentar a energia mais longe e você começar a diminuir a entropia de novo, porque as partículas não se espalhar uniformemente. Como resultado, este ponto representa o fim da escala de temperatura positivo.

Em princípio, no entanto, deve ser possível para manter o aquecimento das partículas para cima, enquanto a sua condução entropia para baixo. Porque esta quebra a energia de correlação entropia, que marca o início da escala de temperatura negativa, em que a distribuição de energia é invertida - em vez da maior parte das partículas com um baixo consumo de energia e de algumas tendo um elevado, a maior parte tem uma alta energia e apenas um poucos têm um baixo consumo de energia. O fim desta escala negativa é atingida quando todas as partículas estão no topo da colina, a energia.

O termómetro resultante é dobrando-mente com uma escala que se inicia em zero, rampas até mais infinito, em seguida, vai para infinito negativo antes de aumentar através dos números negativos até se atingir o zero absoluto negativo, o que corresponde a todas as partículas de estar na parte superior do energia colina.

Átomos frios

"A escala de temperatura como sabemos que começa em zero e vai até o infinito, mas não pára por aí", diz Ulrich Schneider de Ludwig-Maximilians-University de Munique, na Alemanha.

Para entrar no reino negativo, Schneider e seus colegas começaram por resfriando-se átomos de uma fração acima do zero absoluto e colocá-los em um vácuo. Em seguida, utilizado lasers para colocar os átomos ao longo da curva de um vale de energia com a maior parte dos átomos em estados de energia mais baixos. Os átomos também foram feitas para se repelem para garantir que eles permaneceram fixos no lugar.

Equipe de Schneider depois virou este sistema de temperatura positivo negativo fazendo duas coisas. Eles fizeram os átomos de atrair e ajustados os lasers para alterar os níveis de energia dos átomos, fazendo com que a maioria deles de alta energia, e assim lançando o vale em um monte de energia. O resultado foi uma distribuição inversa de energia, o que é característico de temperaturas negativas.

Os átomos não pode perder energia e "roll down" este monte porque isso exigiria-lhes aumentar a sua energia cinética e isso não é possível porque o sistema está em um vácuo e não há nenhuma fonte de energia externa. "Nós criamos um sistema com uma grande quantidade de energia, mas as partículas não pode redistribuir a sua energia para que eles tenham de ficar em cima do morro", diz Schneider.

Temperatura escuro

Átomos frios já são utilizados para simular as interações de algumas partículas subatômicas. A nova temperatura negativa configuração pode ser usada para criar interacções simulados que não são possíveis com as temperaturas positivas. "Eles são um instrumento novo técnico no negócio de simulações quânticas", diz Schneider.

Temperatura negativa também pode ter implicações para a cosmologia. A energia escura, pensou para explicar a expansão acelerada do universo, exerce pressão negativa, o que sugere que pode ter temperatura negativa - Schneider está actualmente a discutir a idéia com os cosmólogos.

"É um trabalho experimental incrível", disse Allard Mosk , da Universidade de Twente, na Holanda, que originalmente delineou a teoria por trás do experimento em 2005 .

Aprender mais sobre como negativo sistemas de temperatura interagir tanto com eles próprios e com temperaturas positivas pode nos permitir construir motores ultra-eficientes de calor, mas estas estão longe, diz ele. "Eu não acho que isso vai imediatamente dar-nos novos dispositivos, mas nos dará uma compreensão mais profunda sobre o que realmente é a temperatura."

Jornal de referência: Ciência , 10.1126/science.1227831