Teoretikere på universitetet i Køln i Tyskland har udtænkt en måde, hvorpå atomer kan bringes i en tilstand med en negativ absolut temperatur.

Nu venter de kun på, at eksperimentalfysikerne vil gennemføre eksperimentet.

»Det er et uudforsket område, hvor der kan gemme sig en del overraskelser,« siger Achim Roch til New Scientist.

Han har sammen med sine to kollegaer Akos Rapp og Stephan Mandt beskrevet mulighederne for at opnå negative temperaturer i en ny artikel i Physical Review Letters.

Der er ikke tale om, at fysikerne foreslår en metode til gradvist at afkøle atomer til en temperatur under det absolutte nulpunkt ved -273,15 grader Celsius. Det er umuligt.

De har i stedet fundet en måde, hvorpå atomer under påvirkning af et optisk gitter kan bringes i en tilstand, der er beskrevet ved en negativ temperatur.

Atomer med negative temperaturer i det eksperiment, som forskerne fra Køln foreslår, er dog ikke kolde i den forstand, at der er tale om, at varme strømmer ind til dem fra områder med positive temperaturer.

Det naturlige spørgsmål er, hvad mener så de egentligt mener med negativ temperatur?

Temperatur og entropi

I termodynamikken er temperatur en egenskab ved et system, der beskriver, hvordan systemet opfører sig, når man tilfører eller fjerner energi – hvordan det går fra orden til uorden – eller mere præcist, hvordan entropien ændrer sig.

Tilfører man energi til et almindeligt system med positive temperaturer, bevæger molekylerne sig hurtigere, der kommer mere uorden. Fjerner man energi, bliver der mere og mere orden, og nærmer man sig det absolutte nulpunkt ved -273,15 grader Celsius er både energi og entropi mindst muligt.

Ved negative temperaturer reagerer systemet modsat. Fjerner man energi får man mere uorden (højere entropi).

Der har tidligere været udført forsøg, hvor atomkerner i magnetfeltet pludselig er bragt i en termodynamisk tilstand, der svarer til en negativ temperatur, men det været meget simple eksperimenter, der ikke har givet mange muligheder for at udforske sådanne systemer nærmere.

Potentialbrønde i optiske gitre

Forskerne fra Køln har taget udgangspunkt i et forslag, som Allard Mosk fra universitetet i Twente i Holland fremsatte i 2005

I modsætning til Mosk har de dog anvist, hvordan et eksperiment kan gennemføres i praksis, og hvordan målinger helt konkret kan eftervise, om der er opnået en tilstand med negativ temperatur.

Idéen består i at afkøle atomer med lasere til lave temperaturer, så de næsten ligger helt stille.

Herefter laver man et optisk gitter med andre lasere, som indeholder ’brønde’ med lav potential energi.

Hvis atomerne er placeret på energitoppene i gitteret er de i en ustabil tilstand, hvor de gerne vil rulle ned i brøndene.

Brøndene sætter dog en grænse for, hvor langt atomerne kan ’rulle’ væk. Hvis man i den situation kan fjerne potentielle energi for visse atomer, ville de kunne ’rulle’ længere væk fra de andre. Mindre energi fører altså til mere uorden – som netop er definitionen på negativ temperatur.

Allard Mosk er begejstret.

»Det skulle være realistisk at opnå negative temperaturer på den beskrevne måde. Det vil være meget spændende at se,« udtaler han til New Scientist.