عجيب‌ترين دستاورد دنياي فيزيك: دست يابي به دماي زير صفر مطلق كلوين

یازار : علي وقاري

+0 به يه ن

عجيب‌ترين دستاورد دنياي فيزيك: دست يابي به دماي زير صفر مطلق كلوين

دانش > دانش‌هاي بنيادي - دانشمندان با توليد يك گاز اتمي توانسته‌اند به دماي منفي يك‌ميليارديم كلوين برسند؛ دمايي كمتر از صفر مطلق كلوين كه پيش از اين، غيرممكن تلقي مي‌شد. اين دستاورد ممكن است با انرژي تاريك نيز مرتبط باشد.

مجيد جويا: شايد غير محتمل‌تر از يخ زدن آتش دوزخ به نظر برسد، ولي فيزيكدان‌ها  گاز اتمي خاصي توليد كرده‌اند كه براي اولين بار به دمايي زير صفر مطلق كلوين رسيده است. اين تكنيك راهي را باز كرده كه بتوان موادي با دماي منفي كلوين و همچنين ابزارهاي كوانتومي جديدي توليد كرد و يك معماي بزرگ كيهاني را با استفاده از آن حل كرد.
به گزارش نيچر، لرد كلوين در اويل دهه 1800 مقياس دمايي مطلق خود را با اين فرض كه هيچ چيزي سردتر از صفر مطلق نيست، تبيين كرد. بعدها فيزيكدانان تشخيص دادند كه دماي مطلق يك گاز به متوسط انرژي جنبشي ذراتش بستگي دارد. با اين حساب، صفر مطلق متناظر با با حالتي فرضي است كه در آن ذرات هيچ انرژي ندارند، و دماهاي بالاتر به متوسط انرژي‌هاي بالاتري تعلق دارند.
ولي در دهه 1950/1330، فيزيكداناني كه با سيستم‌هاي عجيب و غريب‌تر كار مي‌كردند، متوجه شدند كه اين مسئله هميشه صحت ندارد: از لحاظ نظري شما دماي سيستم را از روي نموداري مي‌خوانيد كه احتمال يافت شدن ذرات در هر سطح انرژي معين را نشان مي‌دهد. معمولا اغلب ذرات انرژي متوسط يا نزديك به متوسطي دارند و البته تنها تعداد اندكي از ذرات به سطوح انرژي بالاتري مي‌رسند. الريچ اشنايدر، فيزيكدان در دانشگاه ماكسميليان لودويگ مونيخ توضيح مي‌دهد كه به طور نظري، اگر جاي ذراتي با انرژي بالاتر با ذراتي با انرژي پايين‌تر جابجا شود، اين نمودار زير و رو خواهد شد و علامت دما از دماي مطلق مثبت به دماي مطلق منفي تغيير خواهد كرد.
 

دره‌ها و قله‌ها
اشنايدر و همكارانش با استفاده از گاز كوانتومي فوق سرد حاوي اتم‌هاي پتاسيم به چنين دماهاي زير صفر مطلق كلوين دست يافته‌اند. آنها با استفاده از ليزر و ميدان مغناطيسي، تك تك اتم‌ها را در آرايشي شبكه‌اي نگه داشتند. در دماي مثبت كلوين اتم‌ها همديگر را دفع مي‌كنند و اين منجر به ايجاد پايداري در پيكربندي آنها مي‌شود. سپس گروه به سرعت ميدان مغناطيسي را طوري تغيير دادند كه اتم‌ها به جاي دفع، همديگر را جذب كنند. اشنايدر مي‌گويد: «اين كار به طور ناگهاني اتم‌ها را از پايدارترين حالت‌شان به حالت ديگري مي‌برد، يعني اتم‌ها قبل از اينكه بتوانند برهمكنش دهند، از پايين‌ترين سطح انرژي به بالاترين سطح انرژي ممكن برانگيخته مي‌شوند. اين درست شبيه به كوهنوردي است كه در دره كوهنوردي مي‌كند و سپس ناگهان خود را در نوك قله كوه مي‌يابد».
در دماي مثبت، اين واژگوني پايدار نخواهد بود و اتم‌ها فرو خواهند پاشيد. اما گروه ميدان تله‌انداز ليزري را هم به گونه‌اي تنظيم كردند كه آن را از لحاظ سطح انرژي، براي چسبيدن اتم‌ها در موقعيتشان مطلوب‌تر كند. نتيجه اين آزمايش كه هفته قبل در ساينس منتشر شد، گذار گاز از بالاي صفر مطلق تا مقدار بسيار كم يك ميليادرم زير صفر مطلق كلوين را نشان مي‌دهد.

 

آزمايش فوق عجيب!
ولفانگ كترل، از فيزيكدانان ام‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌آي‌تي است كه به خاطر آزمايش پنجمين حالت ماده (چگالش بوز-اينشتين) موفق به دريافت جايزه نوبل شد و پيش از اين دماهاي مطلق منفي را در سيستم مغناطيسي تشريح كرده بود. وي اين كار تازه را يك
"كار بسيار تخصصي آزمايشگاهي" مي‌نامد و ميگويد: «حالت‌هاي ناپايدار پرانرژي كه توليد آنها در آزمايشگاه در دماهاي مثبت سخت است، در دماهاي مطلق منفي پايدار مي‌شوند. اي كار مانند اين است كه شما بتوانيد بر روي يك هرم كه روي راس خود قرار دارد بايستيد و نگران واژگون شدن آن نباشيد. در نتيجه چنين تكنيك‌هايي مي‌توانند بررسي دقيق‌تر اين حالت‌هاي انرژي را امكان پذير سازند. اين شايد راهي براي توليد اشكال جديدي از مواد در آزمايشگاه باشد».

به گفته آخيم روش، فيزيكدان نظري در دانشگاه كلن آلمان، اگر چنين سيستم‌هايي ساخته شوند، رفتارهاي غريبي از خود بروز خواهند داد. او كسي است كه شيوه مورد استفاده توسط اشنايدر و گروهش را پيشنهاد داده بود. براي مثال، روش و گروهش حساب كرده‌اند كه در حالي كه ابرهاي اتمي در حالت عادي توسط نيروي جاذبه پايين كشيده مي‌شوند، اگر بخشي از اين ابر يك دماي مطلق منفي داشته باشد، برخي از اتم‌ها به سمت بالا حركت مي‌كنند، و به نظر مي‌رسد كه جاذبه زمين را دفع مي‌كنند.
يك ويژگي عجيب ديگر گازهاي با دماي زير صفر مطلق اين است كه «انرژي تاريك» را شبيه‌سازي مي‌كنند، همان نيروي مرموزي كه جهان را به رغم نيروي مركزگراي گرانش با سرعتي روزافزون به انبساط واداشته است. اشنايدر اشاره مي‌كند كه اتم‌هاي جاذب موجود در گاز توليد شده توسط گروه او هم تمايل به فروپاشي در خود دارند، ولي نه به اين خاطر كه دماي مطلق منفي آنها را پايدار مي‌سازد. او مي‌گويد: «اين جالب است كه اين ويژگي غريب هم در دنيا و هم در آزمايشگاه خود را نشان مي‌دهد. اين شايد چيزي باشد كه كيهان شناسان بايد دقيق‌تر ببينند».

 

Nature | News

Quantum gas goes below absolute zero

Ultracold atoms pave way for negative-Kelvin materials.

·         Zeeya Merali

03 January 2013

Article tools

Rights & Permissions

Temperature in a gas can reach below absolute zero thanks to a quirk of quantum physics.

PHOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock

It may sound less likely than hell freezing over, but physicists have created an atomic gas with a sub-absolute-zero temperature for the first time1. Their technique opens the door to generating negative-Kelvin materials and new quantum devices, and it could even help to solve a cosmological mystery.

Lord Kelvin defined the absolute temperature scale in the mid-1800s in such a way that nothing could be colder than absolute zero. Physicists later realized that the absolute temperature of a gas is related to the average energy of its particles. Absolute zero corresponds to the theoretical state in which particles have no energy at all, and higher temperatures correspond to higher average energies.

However, by the 1950s, physicists working with more exotic systems began to realise that this isn't always true: Technically, you read off the temperature of a system from a graph that plots the probabilities of its particles being found with certain energies. Normally, most particles have average or near-average energies, with only a few particles zipping around at higher energies. In theory, if the situation is reversed, with more particles having higher, rather than lower, energies, the plot would flip over and the sign of the temperature would change from a positive to a negative absolute temperature, explains Ulrich Schneider, a physicist at the Ludwig Maximilian University in Munich, Germany.

Peaks and valleys

Related stories

·         Super gas meets with no resistance

·         Simulation: Quantum leaps

·         Cameras to focus on dark energy

More related stories

Schneider and his colleagues reached such sub-absolute-zero temperatures with an ultracold quantum gas made up of potassium atoms. Using lasers and magnetic fields, they kept the individual atoms in a lattice arrangement. At positive temperatures, the atoms repel, making the configuration stable. The team then quickly adjusted the magnetic fields, causing the atoms to attract rather than repel each other. “This suddenly shifts the atoms from their most stable, lowest-energy state to the highest possible energy state, before they can react,” says Schneider. “It’s like walking through a valley, then instantly finding yourself on the mountain peak.”

At positive temperatures, such a reversal would be unstable and the atoms would collapse inwards. But the team also adjusted the trapping laser field to make it more energetically favourable for the atoms to stick in their positions. This result, described today in Science1, marks the gas’s transition from just above absolute zero to a few billionths of a Kelvin below absolute zero.

Wolfgang Ketterle, a physicist and Nobel laureate at the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, who has previously demonstrated negative absolute temperatures in a magnetic system2, calls the latest work an “experimental tour de force”. Exotic high-energy states that are hard to generate in the laboratory at positive temperatures become stable at negative absolute temperatures — “as though you can stand a pyramid on its head and not worry about it toppling over,” he notes — and so such techniques can allow these states to be studied in detail. “This may be a way to create new forms of matter in the laboratory,” Ketterle adds.

If built, such systems would behave in strange ways, says Achim Rosch, a theoretical physicist at the University of Cologne in Germany, who proposed the technique used by Schneider and his team3. For instance, Rosch and his colleagues have calculated that whereas clouds of atoms would normally be pulled downwards by gravity, if part of the cloud is at a negative absolute temperature, some atoms will move upwards, apparently defying gravity4.

Another peculiarity of the sub-absolute-zero gas is that it mimics 'dark energy', the mysterious force that pushes the Universe to expand at an ever-faster rate against the inward pull of gravity. Schneider notes that the attractive atoms in the gas produced by the team also want to collapse inwards, but do not because the negative absolute temperature stabilises them. “It’s interesting that this weird feature pops up in the Universe and also in the lab,” he says. “This may be something that cosmologists should look at more closely.”

Journal name:

Nature

DOI:

doi:10.1038/nature.2013.12146

References

1.    Braun, S. et al. Science 339, 52–55 (2013).

1.    Article

2.    PubMed

3.    ISI

4.    ChemPort

Show context

                Medley, P., Weld, D. M., Miyake, H., Pritchard, D. E. & Ketterle, W. Phys. Rev. Lett. 106, 195301 (2011).

0.    Article

1.    PubMed

2.    ChemPort

Show context

                Rapp, A., Mandt, S. & Rosch, A. Phys. Rev. Lett. 105, 220405 (2010).

0.    Article

1.    PubMed

2.    ChemPort

Show context

                Mandt, S., Rapp, A. & Rosch, A. Phys. Rev. Lett. 106, 250602 (2011).

0.    Article

1.    PubMed

2.    ChemPort

Show context

Related stories and links

From nature.com

·         Super gas meets with no resistance

28 November 2012

·         Simulation: Quantum leaps

14 November 2012

·         Cameras to focus on dark energy

12 September 2012

From elsewhere

·         Quantum group, Ludwig Maximilian University

·         Achim Rosch

·         Wolfgang Ketterle

 

 

 

http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146