2013年1月14日 星期一

低於絕對零度的量子氣體 Quantum gas goes below absolute zero


Quantum gas goes below absolute zero
Ultracold atoms pave way for negative-Kelvin materials.

http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146

據《自然》雜誌網站報導,德國物理學家用鉀原子首次造出一種低於絕對零度的量子氣體。科學家稱這一成果為『實驗的絕技』,為將來造出負溫度物質、新型量子設備打開了大門,有助於揭開宇宙中的許多奧密。

根據中國科技網報導,18世紀中期,開爾文男爵威廉·湯姆森定義了絕對溫度,在此規定下沒有物質的溫度能低於絕對零度。氣體的絕對溫度與它所包含粒子的平均能量有關,溫度越高,平均能量越高,而絕對零度是氣體的所有粒子能量都為零的狀態,這是一種理想的理論狀態。到了上世紀50年代,物理學家在研究中遇到了更多反常的物質系統,發現這一理論並不完全正確。

慕尼黑路德維格·馬克西米利安大學物理學家烏爾里奇·施奈德解釋說,從技術上講,人們能從一條溫度曲線上讀出一系列溫度數,但這些數字表示的只是它所含的粒子處於某個能量狀態的概率。通常,大部分粒子的能態處於平均或接近平均水平,只有少數粒子在更高能態上下。理論上,如果這種位置倒轉,使多數粒子處於高能態而少數粒子在低能態,溫度曲線也會反過來,溫度將從正到負,低於絕對零度。2001年諾貝爾物理學獎獲得者沃爾夫岡·克特勒也曾證明,在磁場系統中存在負絕對溫度。

施奈德和同事用鉀原子超冷量子氣體實現了這種負絕對零度。他們用鐳射和磁場將單個原子保持晶格排列。在正溫度下,原子之間的斥力使晶格結構保持穩定。然後他們迅速改變磁場,使原子變成相互吸引而不是排斥。施奈德說:『這種突然的轉換,使原子還來不及反應,就從它們最穩定的狀態,也就是最低能態突然跳到可能達到的最高能態。就像你正在過山谷,突然發現已在山峰。』

在正溫度下,這種逆轉是不穩定的,原子會向內坍塌。他們也同時調整勢阱鐳射場,增強能量將原子穩定在原位。這樣一來,氣體就實現了從高於絕對零度到低於絕對零度的轉變,約在負十億分之幾開氏度。

克特勒現任美國麻省理工大學物理教授,他稱此最新成果為一項『實驗的絕技』。在實驗室裡,反常高能態在正溫度下是很難產生的,而在負絕對溫度下卻會變得穩定——『就像你能把一個金字塔倒過來穩穩的放著,而不必擔心它會倒。』克特勒指出,該技術使人們能詳細研究這些反常高能態,『也可能成為創造新物質形式的一條途徑。』

德國科隆大學理論物理學家阿希姆·羅施說,如果真能造出這些物質系統,它們會表現出奇特的行為。根據和他的同事計算,正常情況下原子雲受重力影響會被向下拉,如果一部分雲處於負絕對溫度,某些原子就會向上運動,明顯違背重力作用。

負絕對溫度氣體還能類比『暗能量』。暗能量是推動宇宙加速膨脹、抵抗萬有引力內向拉力的力量。施奈德指出,在他們生成的氣體中,相互吸引的原子也有向內坍塌趨勢,但負絕對溫度卻能遏制它們向內運動而保持穩定。這種宇宙中普遍存在的奇特現象如今也能在實驗室看到,值得宇宙學家進一步研究。



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