Понизив температуру атомных облаков ниже абсолютного нуля (так называемое «отрицательное абсолютное значение»), физики обнаружили, что атомы находятся в ранее неизвестном квантовом состоянии. При этой температуре атомы могут быть организованы в особые и сложные геометрические узоры, называемые «решетками Кагоме». В результате квантовая материя может стать совершенно новой формой материи.
В 1800-х годах лорд Кельвин определил температурную шкалу, заявив, что ни одно вещество не может опускаться ниже абсолютного нуля (0 Кельвина, или примерно -273,15 °C). Однако позже физики обнаружили, что абсолютная температура газа прямо пропорциональна средней энергии составляющих его частиц. Абсолютная температура — это температура, измеренная от абсолютного нуля, что соответствует состоянию, в котором частица больше не имеет кинетической энергии (и, следовательно, находится в состоянии покоя). Более высокие температуры соответствуют большей кинетической энергии.
Однако в 1950-х годах физики обнаружили, что этот принцип не всегда справедлив, отчасти из-за того, как энергия распределяется между атомами. Абсолютный ноль соответствует состоянию, в котором частица имеет минимальную энтропию. В совокупности атомов с положительной абсолютной температурой лишь несколько атомов движутся с высокой кинетической энергией, в то время как большинство атомов имеют низкую энергию.
Однако когда атомы подвергаются воздействию отрицательных абсолютных температур, это распределение энергии меняется на противоположное. Другими словами, частиц с более высокой кинетической энергией больше, чем частиц с более низкой энергией (максимальная энтропия). Следовательно, частицы с отрицательными абсолютными температурами обладают большей энергией, чем частицы с положительными абсолютными температурами. Парадоксально, но первый технически «горячее», чем второй. Сочетание этих двух явлений приведет к перетоку энергии или тепла от первого (отрицательная абсолютная температура) ко второму (положительная абсолютная температура).
Изучая это странное состояние частиц, манипулируя их энергетическими уровнями и квантовыми состояниями, ученые Кембриджского университета обнаружили, что материя находится в необычном состоянии. Эксперты говорят, что эксперимент стал возможен благодаря использованию принципов квантовой механики, а не термодинамики.
Обратите внимание: На квантовом уровне объекты могут иметь две температуры одновременно.
Их результаты были представлены 5 июня 2024 года на ежегодном собрании отдела атомной, молекулярной и оптической физики Американского физического общества в Форт-Уэрте, штат Техас.Поведение, похожее на темную энергию?
В своем эксперименте команда из Кембриджа поместила облака, содержащие тысячи атомов калия, в вакуумную камеру, а затем подвергла их воздействию температур, близких к абсолютному нулю. Для этого исследователи использовали лазеры и магнитные поля. «Мы используем нейтральные атомы в оптической решетке как аналог квантового симулятора», — объясняют они в своей статье . Помимо прочего, это дает возможность управлять квантовыми и энергетическими состояниями атомов, позволяя им достигать абсолютно отрицательных температур.
Стоит отметить, что эти исследователи уже проводили более или менее аналогичный эксперимент в 2013 году, используя ультрахолодный квантовый газ, состоящий из атомов калия. С помощью лазеров и магнитных полей отдельные атомы объединяются в кристаллическую решетку. При положительных абсолютных температурах атомы отталкивают друг друга, что делает конфигурацию нестабильной. Напротив, при отрицательных абсолютных температурах (вызванных изменением магнитных полей) атомы притягиваются друг к другу, что делает систему более стабильной.
«Это внезапно выводит атомы из их самого нестабильного энергетического состояния», — объяснил Ульрих Шнайдер из Кембриджского университета, один из авторов исследования, в своем блоге в журнале Nature. «Это все равно, что идти по долине и сразу же достигать вершины гора", - добавил он. Эксперты пришли к выводу, что такая ситуация может привести к появлению новых форм материи.
В этом смысле техника нового эксперимента была усовершенствована: атомы стали располагаться в сложные шестиугольные и треугольные узоры, получившие название решетки Кагоме. Затем исследователи обнаружили, что атомы можно заставить принять квантовые состояния, в которых их энергия возникает в результате взаимодействия с другими атомами. Однако, что удивительно, у них нет кинетической энергии.
Интересно, что газы, подвергающиеся воздействию отрицательных абсолютных температур, ведут себя аналогично темной энергии — гипотетической силе, которая, как считается, частично отвечает за ускорение расширения Вселенной и сопротивление гравитации. В предыдущих экспериментах Шнайдер и его коллеги обнаружили, что на атомы, притягивающиеся друг к другу, обычно влияет гравитация, но не из-за стабильности, которую приносят отрицательные абсолютные значения. Далее исследователи планируют продолжить изучение точных свойств этого нового вещества.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.