Forskere har skiftet fortegn på temperaturen

Tyske forskere har formået at lave et system med en negativ temperatur målt i Kelvin. Det skriver Ingeniøren.

Systemet har ikke en negativ temperatur i den klassiske forstand, hvor temperaturen defineres som mængden af den kinetiske energi af systemet. I en gruppe af partikler, der kan være atomer eller molekyler, vil de fleste partikler have en tilstand med lav energi og få partikler med høj energi.

Hvis fordelingen af partikler med lav og høj energi nu er omvendt, taler man om en negativ temperatur. Dog er der nogle krav til systemet, da der skal være en øvre grænse for den maksimale energi og en lavere grænse der går mod uendeligt.

Forskerne har taget en gruppe af Kalium-39 atomer, der befinder sig i et Bose-Einstein kondensat og som er kølet ned til tæt på det absolutte nulpunkt (0 Kelvin). Bose-Einstein kondensatet fastholder atomerne, så de får en øvre grænse for deres kinetiske energi og dermed en grænse for den maksimale energi. Udover at sætte en grænse for den øvre kinetiske energi, er der også bidrag fra en vekselvirkningsenergi imellem atomerne og et bidrag fra de magnetiske felter, som genererer Bose-Einstein kondensatet. Forskerne har udnyttet nogle kvantefaseovergange og ved at lave den magnetiske fælde om til en antifælde, er der blevet skabt et system med en negativ temperatur.

Systemet har således mange partikler med en høj energi, der ligger tæt på den øvre grænse og få partikler med en lav energi. Det kan også formuleres som at systemet søger mod den højeste energitilstand, hvor det normalt er, at et system søger mod den laveste energitilstand.

Forskerne har prøvet at forklare, hvad de mener i deres FAQ, hvor de bruger marmorkugler, bakker og dale.

Forskerne skrev:

This can be illustrated with the landscape above. At positive temperature, most marbles lie in the valley. This state is stable – this is nature as we know it. If marbles lie on top of the hill they will usually roll down the hill and thereby convert potential energy into kinetic energy. If these marbles are, however, at negative absolute temperature, all their energy forms will be close to their maximum allowed values. In the picture this is apparently true for potential energy, as the marbles lie on top of the hill, the highest point in the landscape. But it is also true for kinetic energy: The marbles on top of the hill move around fast. Because kinetic energy cannot increase further, the marbles cannot convert potential energy into kinetic energy. Therefore they cannot roll down at all. They stay on top of the hill – the system is stable.

For mere information se deres FAQ, hvor forskerne giver svar på nogle af spørgsmålene omkring negativ temperatur.