Физикам удалось достичь поистине экстремальных условий, охладив облако атомов до температур ниже абсолютного нуля — состояния, известного как «отрицательный абсолют». В этом необычном режиме атомы перешли в ранее неизвестное квантовое состояние и самоорганизовались в сложные геометрические структуры, называемые решетками Кагоме. Это открытие указывает на возможность существования совершенно новой формы квантовой материи.
Переосмысление абсолютного нуля
Традиционное представление, сформулированное лордом Кельвином в XIX веке, гласит, что абсолютный ноль (0 Кельвинов или -273.15 °C) является нижним пределом температуры, при котором частицы полностью лишены кинетической энергии. Однако современная физика пересмотрела это понятие, связав абсолютную температуру со средней энергией частиц. При положительных температурах большинство атомов обладают низкой энергией, и лишь немногие — высокой.
В середине XX века ученые обнаружили, что это правило имеет исключения, связанные с распределением энергии между атомами. Оказалось, что абсолютный ноль соответствует состоянию с минимальной энтропией, а не просто с минимальной энергией. Это открыло путь к концепции отрицательных абсолютных температур.
Парадоксальный мир отрицательных температур
В состоянии с отрицательной абсолютной температурой распределение энергии инвертируется: частиц с высокой кинетической энергией становится больше, чем частиц с низкой. Это состояние характеризуется максимальной энтропией. Парадоксально, но система с отрицательной температурой фактически обладает большей энергией, чем система с положительной, и тепло будет перетекать от первой ко второй. Таким образом, «отрицательный абсолют» оказывается «горячее» любого положительного значения.
Изучая это экзотическое состояние, исследователи из Кембриджского университета, манипулируя квантовыми состояниями атомов, обнаружили, что материя ведет себя совершенно необычным образом. Ключевую роль в эксперименте сыграли принципы квантовой механики, а не классической термодинамики.
Обратите внимание: На квантовом уровне объекты могут иметь две температуры одновременно.
Результаты этой работы были представлены 5 июня 2024 года на собрании Американского физического общества.Эксперимент по созданию новой материи
В ходе эксперимента ученые поместили тысячи атомов калия в вакуумную камеру и с помощью лазеров и магнитных полей охладили их до температур, близких к абсолютному нулю. Используя оптическую решетку в качестве квантового симулятора, они получили возможность тонко управлять энергетическими состояниями атомов, что и позволило достичь отрицательных абсолютных температур.
Это не первая подобная попытка: в 2013 году та же группа исследователей работала с ультрахолодным квантовым газом. Тогда было обнаружено, что при положительных температурах атомы отталкиваются, делая систему нестабильной, а при отрицательных — начинают притягиваться, стабилизируя её. Ульрих Шнайдер, один из авторов исследования, образно сравнил этот переход с мгновенным перемещением из долины на вершину горы.
В новом, усовершенствованном эксперименте атомы были организованы в сложные узоры решетки Кагоме, состоящие из шестиугольников и треугольников. В этом состоянии энергия атомов определялась исключительно их взаимодействием друг с другом, при этом у них практически отсутствовала кинетическая энергия, что является крайне необычным явлением.
Связь с темной энергией и будущие исследования
Наблюдаемое поведение газа при отрицательных температурах демонстрирует удивительную аналогию с темной энергией — загадочной силой, ответственной за ускоренное расширение Вселенной. Подобно темной энергии, которая противодействует гравитационному сжатию, стабилизированная система атомов в эксперименте также проявляет устойчивость к коллапсу под действием гравитации. Это сходство открывает новые перспективы для моделирования космологических явлений в лабораторных условиях.
Ученые планируют продолжить изучение свойств этой новой формы вещества, чтобы глубже понять её природу и потенциальные применения в квантовых технологиях.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.