Новость про то, как физики опустили температуру квантового газа «ниже абсолютного нуля» будем обсуждать?

Немецкие физики создали квантовое облако атомов калия, распределение энергии в котором таково, что его температура имеет отрицательное абсолютное значение. Работа опубликована в журнале Science, а ее краткое содержание приводит ScienceNow.

Температура тела отражает среднюю энергию его отдельных атомов или молекул. Обычно большинство частиц имеет низкую энергию, а высокоэнергетичными является меньшинство. При повышении температуры количество более энергетичных молекул повышается, и в пределе (при бесконечной температуре) становится равномерным.

Классическое распределение энергий частиц в газе известно как распределение Больцмана. Ранее, в работах по квантовой физике было показано, что оно не всегда обязано выполняться. Теоретически, можно представить тело, в котором распределение энергий будет обратно распределению Больцмана, то есть большинство частиц будут находиться в высокоэнергетичном состоянии, а нижние уровни распределения энергии будут «пустовать». Такое тело будет обладать отрицательной абсолютной температурой, что и удалось продемонстрировать авторам.

Ученые при помощи лазерных лучей распределили атомы калия в узлах правильной решетки на специальной подложке. Частицы находились в вакууме и были охлаждены до температуры, близкой к абсолютному нулю (- 273 градуса Цельсия). Таким образом, энергия частиц «калиевого облака» также была близка к минимуму.

После того, как атомы были стабилизированы в низком энергетическом состоянии, исследователи резко поменяли локальное магнитное поле. В результате изменения, атомы вместо небольшого отталкивания стали сильно притягиваться друг к другу. Фактически, они единовременно оказались на вершине потенциальной энергии. Однако, благодаря действию лазеров, частицы не стали двигаться и терять энергию, а так и остались в этом состоянии.

Исследование тел с отрицательной температурой интересно не только с точки зрения термодинамики. Такие тела, по словам ученых, могут выступать в качестве модели темной энергии, которая «отвечает» за ускоренное расширение Вселенной.

Научный источник на английском, краткое содержание на английском.
«>

Quantum gas goes below absolute zero : Nature News & Comment

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.

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.”

Braun, S. et al. Science 339, 52–55 (2013).
Medley, P., Weld, D. M., Miyake, H., Pritchard, D. E. & Ketterle, W. Phys. Rev. Lett. 106, 195301 (2011).
Rapp, A., Mandt, S. & Rosch, A. Phys. Rev. Lett. 105, 220405 (2010).
Mandt, S., Rapp, A. & Rosch, A. Phys. Rev. Lett. 106, 250602 (2011).

GD Star Rating
loading...

50 Responses to Как физики опустили температуру квантового газа

  1. Ecnam:

    Только с точки зрения, какое Мегаоружие можно из этого изобрести и убить весь мiр.

  2. Aobekb:

    На реддите ж уже обсудили.
    Каждый второй поясняет, что да, при текущем определении температуры вот такая, понимаешь, загогулина получается.
    “It sounds crazy, but that is only because temperature is defined crazily.”

  3. Leopold:

    то есть, создали такое состояние, в котором часть теплоносителя (газа) имеет какую-то мин. температуру, а часть — не имеет температуры вообще?), средняя получилась очень низкая (близкая к 0), из чего почему-то следует, что часть, которая не высокого (температурного) состояния исходя из среднего, должна быть отрицательной?

  4. supnow:

    Температура это усреднённая внутренняя энергия. Если она может быть отрицательной, то тогда всё ОК.

  5. Gdetotam:

    По-моему это просто выкрутасы на определениях

  6. CopRU:

    понять это просто: нужно просто создать систему с убывающей энтропией при добавке энергии. Это и будет система с отрицательной Т. На микроуровне теоретических препятствий для такого нет.

  7. Odaekb:

    Температуру лазерной среды еще можно померить…

  8. Gnigreen:

    Ну, в лазерах тоже инверсионная заселенность.

  9. Odaekb:

    Во-первых оно уже лет 50 как не новость; а во-вторых там про «отрицательную температуру» говорят исключительно чтобы растолковать процесс юным балбесам… Ну не нравится мне этот термин!

  10. Gnigreen:

    Ну да, распределение Максвелла не относится к неравновесным системам, но описать можно. Собственно какая разница, производная энтропии отрицательна, значит и температура отрицательна.

  11. Odaekb:

    Да распределение применить к квази-равновесной подсистеме применить можно вообще легко..
    И температура как параметр распределения тоже вполне себе.. Просто помнишь как с незабвенной о тензоре эффективной массы в кристалле говорили? Вот оно же — выглядит как масса, вкус цвет и запах как у массы… но вот где-то засада!

  12. Gnigreen:

    Да не вижу я засады. Ты представь теперь, что мы к нулю с обеих сторон можем приближаться и все. С одной стороны обычная заселенность, с другой инверсионная.

  13. Odaekb:

    0 получается определен неоднозначно: -0 и +0 сильно разные

  14. Gnigreen:

    Ну да, сшивка через бесконечность, в геометрии нормальное дело.)

  15. Odaekb:

    Ну вот с десятком натяжек оно все и сойдется. Если с тензором эффективной массы для меня все интуитивно, то тут как-то криво оно. И ограничений на подсистему куча

  16. Gnigreen:

    Эм, какие натяжки? Сживка через бесконечность разве натяжка? Стандартная такая себе сшивка. Ограничений на подсистему не мало, да.

  17. Odaekb:

    Угу, ща пристеплим еще третий листик Римановской поверхности, и вообще все будет зачепись.
    Знаешь, тут скорее надо вспомнить, что иногда банан — это просто банан. Не надо называть параметр Т температурой, и все станет проще.

  18. Gnigreen:

    Почему не надо? о.О Это ж словарное определение.

  19. Odaekb:

    ну тогда не трогайте тензор массы!

  20. Gnigreen:

    А скинь-ка определение этого тензора.)

  21. Odaekb:

    Вторая производная энергии по импульсу

  22. Gnigreen:

    Ну прочитал я про эффективную массу, вполне себе упрощающая модель. Только он вот так определяется, судя по вики

    интересная наука

    Не похоже на производную энергии по импульсу.

  23. Odaekb:

    Ну я так сходу тебе не скажу про границы применимости… по жизни чаще всего оно около экстремума зоны, и dE/dk=0; про то, что зависит от первойпроизводной я так навскидку не соображу с десинхронозом
    Ну и остается d2E/dk2. К -это импульс если чо.

  24. Gnigreen:

    Расскажи про экстремум зоны, я не понимаю.

  25. Odaekb:

    Ну у тебя есть зависимость Е(к) — типа такого:

    интересная наука

    Соответственно на этих кривых зависимости энергии отимпульса получается плотность состояний;конечное число частиц — что-то заполнено, что-то нет. Энергии малы — особенно интересно то, что заполнено частично; грубо говоря первое пустое и последнее заполненное состояние.
    на этой картинке 0 энергии — последнее заполненное состояние, потолок валентной зоны по нашему. Дальше идет диапазон энергий, где плотность состояний типа нулевая — Еg на рисунке, и первая пустая зона. Грубо говоря, 90% физики происходит на концах стрелочки Eg, там массы и считаем.

  26. Retank:

    впервые вижу такую формулу, если честно.
    обычно определяют как d2E/dkidkj
    но возможно я недостаточно этим интересовалась.

  27. Odaekb:

    Я как-то терзал нашего теоретика, как определяется эффективная масса в графене, где зонная диаграмма в виде буквы Х — пересечение 2 прямых. Картинка была у него в презентации, если что. Он мычал и не кололся… а потом я видел, что он эту задачку давал студентам — видимо таки разобрался и давал на лекции. Но ответа до сих пор не знаю.

  28. Gnigreen:

    Я не понял, если первая ноль, то вторая не ноль?

  29. Odaekb:

    ну считается, что зона примерно параболична — ах2 — и около дна зоны (х=0) доминируют эффекты второй производной

  30. Gnigreen:

    Понял, спасибо. Такие зоны обычно где бывают? А где другие?

  31. Odaekb:

    какие другие? в графине линейные…

  32. Gnigreen:

    Короче про температуру не убедил. Это ж не масса, а эффективная масса.)

  33. Odaekb:

    да я кто такой, чтобы убеждать? Мне кажется кривое определение — но поскольку не моя область, то и пусть, не мое дело

  34. 1reodin:

    На ленте же всё написано: абсолютным нулем сейчас считается некая «минимальная» энергия движения молекул, а тут этот минимум удалось снизить еще ниже.

  35. Gnigreen:

    dilesoft: Либо на ленте херня написана, либо ты так пересказал.

  36. Gnigreen:

    Кривое относительно чего? Относительно ожиданий?

  37. Odaekb:

    Кривое относительно интуитивного понятия температуры как средней энергии на степень свободы, например.

  38. Gnigreen:

    Почему оно интуитивное?

  39. Odaekb:

    Для меня — как-то интуитивно. Почему то что интуитивно — интуитивно?
    И да, понятно, что для статистики ФД уже все сразу не так, но тем не менее.

  40. Gnigreen:

    Да много для чего не так, просто это странный консерватизм какой-то. От определений реальность не меняется.

  41. Odaekb:

    О, золотые слова — от определений ничего не зависит. И поэтому я бы в такой системе ввел вместо Т — Т* — и с нею бы жил дальше. Параметр Т*, эффективная температура подсистемы, квази-температура… Как угодно.
    Ну уравнения стали бы чуть пошире, типографской краски побольше надо — зато мое чувство прекрасТного было бы спокойно. И сенсации не было бы, ага.

  42. Gnigreen:

    А сенсации и нет никакой, а кого волнует чего об этом думает лента.ру? На счет чувства прекрасного шибко спорно. По мне так T-1 = dS/dE очень красиво и широко применимо. То, что отрицательная температура получается через бесконечную — это даже прекрасно на мой скромный вкус.

  43. Odaekb:

    Ну та же эффективная масса определенная как вторая производная (кстати, вполне применимо и в классике, Е=р2/2m, два раза производную по импульсу взять) — тем не менее эффективная.

    А вот как-то на вскидку не соображу — а есть еще что-то обычное, чтобы с листами Римана были нюансы? Ну кроме арксинусов…

  44. Gnigreen:

    Эм, ну в топологии, например, в сшивках ПВ для ЧД и БД много подобных ситуаций.

  45. Odaekb:

    Ну дыры — это что-то более абстрактное. Тут же понятие более бытовое

  46. Odaekb:

    Да ладно, мы друг друга поняли на самом деле. Ну да, я чуть консервативнее…

  47. Gnigreen:

    Ой, как я бы поспорил. Топология ПВ — это самый, что ни на есть фундамент.

  48. RogRU:

    http://lenta.ru/news/2013/01/10/domino/
    интересно, эти доминошечки до падения тоже должны трактоваться как имеющие отрицательную температуру?

  49. Odaekb:

    Извини, а я лучше делом займусь. О самых прозаичных вещах, типа последствий ядреных взрывов.. Куда нам до дыр…

  50. RogRU:

    Хотя почитал я тут литературку, интересная же вещь и простая. Надо будет и мне чего-нито до минус гелия охладить и статейку сочинить.

Добавить комментарий