Доведя облако атомов до температуры ниже абсолютного нуля, известной как «отрицательный абсолют», физики обнаружили, что атомы находятся в ранее неизвестном квантовом состоянии. При такой температуре атомы могут быть организованы в специфические и сложные геометрические узоры, называемые «решетками Кагоме». Полученное квантовое вещество может стать совершенно новой формой материи.
В 1800-х годах лорд Кельвин определил температурную шкалу, заявив, что никакая материя не может опуститься ниже абсолютного нуля (0 Кельвинов, или примерно -273,15 °C). Однако позже физики обнаружили, что абсолютная температура газа пропорциональна средней энергии составляющих его частиц. Абсолютная температура — это температура, измеренная от абсолютного нуля, что соответствует состоянию, в котором частицы больше не обладают кинетической энергией (и поэтому неподвижны). Более высокая температура соответствует большей кинетической энергии.
Однако в 1950-х годах физики обнаружили, что этот принцип не всегда справедлив, в частности из-за того, как энергия распределяется между атомами. Абсолютный нуль соответствует состоянию, в котором частицы обладают минимальной энтропией. Для совокупности атомов с положительной абсолютной температурой лишь некоторые из них движутся с высокой кинетической энергией, в то время как большинство имеет низкий уровень энергии.
Однако при воздействии на атомы отрицательной абсолютной температуры это распределение энергии меняется на противоположное. Другими словами, частицы с большей кинетической энергией становятся более многочисленными, чем частицы с меньшей энергией (максимум энтропии). Поэтому частицы при отрицательных абсолютных температурах обладают большей энергией, чем частицы при положительных абсолютных температурах. Парадоксально, но первые технически «горячее» вторых. Комбинация этих двух явлений приведет к тому, что энергия или тепло будут перетекать от первых (при отрицательных абсолютных температурах) ко вторым (при положительных абсолютных температурах).
Исследуя это странное состояние частиц, управляя их энергетическими уровнями и квантовыми состояниями, ученые из Кембриджского университета обнаружили, что материя находится в необычном состоянии. По словам специалистов, эксперимент стал возможен только благодаря использованию принципов квантовой механики, а не термодинамики. Их работа была представлена 5 июня 2024 года на ежегодном собрании Отделения атомной, молекулярной и оптической физики Американского физического общества в Форт-Уэрте (штат Техас).
В рамках своего эксперимента команда из Кембриджа поместила облако, содержащее тысячи атомов калия, в вакуумную камеру, а затем подвергла их воздействию температуры, близкой к абсолютному нулю. Для этого исследователи использовали лазеры и магнитные поля. "Мы используем нейтральные атомы в оптических решетках в качестве аналога квантовых симуляторов", — объясняют они в своем исследовании. Помимо прочего, это позволило контролировать квантовые и энергетические состояния атомов, чтобы довести их до абсолютно отрицательной температуры.
Следует отметить, что эти же исследователи уже проводили более или менее похожий эксперимент в 2013 году, используя ультрахолодный квантовый газ, состоящий из атомов калия. С помощью лазеров и магнитных полей отдельные атомы были выстроены в решетку. При положительных абсолютных температурах атомы отталкивались друг от друга, делая конфигурацию нестабильной. Напротив, при отрицательных абсолютных температурах (вызванных регулировкой магнитного поля) атомы притягивались друг к другу, делая систему более стабильной.
"Это внезапно переводит атомы из их наименее стабильного энергетического состояния в максимально возможное энергетическое состояние, прежде чем они смогут вступить в реакцию", — пояснил один из авторов исследования, Ульрих Шнайдер из Кембриджского университета, в своем блоге в журнале Nature. "Это все равно что пройти по долине и мгновенно оказаться на вершине горы", — добавил он.
Эксперты пришли к выводу, что такое состояние может привести к появлению новой формы материи. В этом смысле технология нового эксперимента была усовершенствована: атомы стали выстраиваться в сложные гексагональные и треугольные узоры, называемые решетками Кагоме. Затем исследователи обнаружили, что атомы можно побудить к проявлению квантовых состояний, в которых их энергия исходит от взаимодействия с другими атомами. Однако, как ни удивительно, кинетическая энергия у них отсутствует.
Интересно отметить, что газ, подвергнутый воздействию отрицательной абсолютной температуры, ведет себя аналогично темной энергии — гипотетической силе, которая, как считается, отвечает, в частности, за ускорение расширения Вселенной и противостоит гравитационному притяжению. В ходе предыдущего эксперимента Шнайдер и его коллеги обнаружили, что атомы, притягивающиеся друг к другу, в норме должны испытывать влияние гравитации, но не испытывают его из-за стабильности, вызванной отрицательным абсолютным значением. В качестве следующего шага исследователи планируют продолжить изучение точных свойств этой новой материи.