Natuurkundigen hebben een wolk van atomen gemaakt met een temperatuur onder het absolute nulpunt. De atoomwolk is vreemd genoeg wel warmer dan groepen deeltjes met een positieve temperatuur.

Natuurkundige Luca Donini van de Universiteit van Cambridge en zijn collega’s hebben een wolk van atomen gecreëerd met een negatieve absolute temperatuur. Dat deden ze door de energieniveaus en quantumtoestanden van duizenden kaliumatomen nauwkeurig te manipuleren. De deeltjeswolk is paradoxaal genoeg niet kouder, maar juist warmer dan groepen deeltjes met een positieve temperatuur.

Normaal gesproken heeft een verzameling atomen die snel bewegen, en dus veel kinetische energie hebben, een hoge temperatuur. Daarentegen hebben langzaam bewegende atomen, die weinig kinetische energie hebben, een lage temperatuur. Als alle atomen volledig stilstaan, bereikt hun temperatuur het absolute nulpunt. Dat is de laagst mogelijke waarde op de temperatuurschaal van Kelvin, een schaal die ook wel wordt aangeduid als de ‘absolute temperatuur’.

Waar bestaan hersenen eigenlijk uit?
LEES OOK

Waar bestaan hersenen eigenlijk uit?

Onderzoekers ontdekken om de zoveel tijd nog steeds nieuwe soorten cellen met interessante eigenschappen in het brein.

Wanorde

Natuurkundigen hebben daarnaast ook een preciezere definitie van temperatuur. Die geeft weer hoe energie over de atomen is verdeeld. Deze energieverdeling houdt verband met de entropie, oftewel de wanorde, van het systeem.

Bij een verzameling atomen met een positieve absolute temperatuur hebben slechts een paar atomen heel veel energie. De rest heeft lagere energieniveaus. Bij het absolute nulpunt hebben alle atomen dezelfde, minimale hoeveelheid energie. Bij een negatieve absolute temperatuur slaat de verdeling om: atomen met veel energie vormen de meerderheid, atomen met weinig energie zijn uitzonderingen.

Warmtestroming

Dit leidt tot een van de grootste eigenaardigheden van negatieve absolute temperaturen: ze zijn in feite warmer dan alle denkbare positieve temperaturen. In een object met een negatieve absolute temperatuur hebben alle atomen bij elkaar namelijk altijd meer energie dan in een object met een positieve temperatuur. Als je zulke objecten samenbrengt, gaat er warmte stromen van het object met een negatieve temperatuur naar het object met een positieve temperatuur, net zoals er warmte van een warme kamer naar een koude kamer stroomt.

Donini en zijn collega’s bereikten deze ongewone temperatuur door kaliumatomen in een vacuüm te plaatsen. Met lasers en magnetische velden koelden ze deze atomen af tot vlak bij het absolute nulpunt. Hierdoor konden ze de quantumtoestanden en energieën van de atomen beheersen. Vervolgens brachten ze die in een toestand van negatieve absolute temperatuur. Ze presenteerden hun werk op 5 juni op de jaarlijkse bijeenkomst van de afdeling atoom-, molecuul- en optische fysica van de American Physical Society, in Fort Worth in Texas.

Zeshoeken en driehoeken

Over dit soort experimenten werd in 2013 voor het eerst gepubliceerd. Het experiment van Donini en zijn collega’s was echter een stuk geavanceerder dan eerder werk.

De onderzoekers rangschikten de atomen met een negatieve temperatuur in een zogeheten Kagome-rooster, een patroon van zeshoeken en driehoeken. In deze opstelling kunnen de atomen in een quantumtoestand worden gebracht waarin al hun energie afkomstig is van interacties met andere atomen, zonder dat ze kinetische energie hebben.

Natuurkundigen weten nog niet goed wat voor soort materie je creëert als je veel atomen in deze toestand samenvoegt, zegt teamlid Ulrich Schneider, ook verbonden aan de Universiteit van Cambridge. Ze zijn van plan om binnenkort de eigenschappen van deze nieuwe quantumsubstantie vast te pinnen. ‘We begeven ons op onbekend terrein. Het is niet eenvoudig om de metingen te interpreteren’, zegt Schneider.

Volgens natuurkundige Achim Rosch van de Universiteit van Keulen kunnen deeltjes die in een Kagome-rooster zijn gerangschikt zeer specifieke energieën hebben. Daardoor kunnen deze deeltjes zich bijzonder gedragen. Sommige natuurkundigen denken bijvoorbeeld dat atomen in een Kagome-rooster een vloeistof kunnen vormen die zonder viscositeit, oftewel stroperigheid, stroomt. Dat zou een paradoxale eigenschap zijn, aangezien de atomen allemaal geen kinetische energie hebben en dus niet zouden moeten kunnen bewegen.