Cuando a mediados del siglo XIX Lord Kelvin definió su escala absoluta de temperatura, determinó que nada puede ser mas frío que el cero absoluto (-273°C), el estado donde los átomos están en reposo y dejan de generar calor. Sin embargo, en los años ’50 los físicos notaron que no siempre esto es así, y que existe la ‘temperatura negativa‘.
Para comprenderla, hay que entender a la temperatura no como los grados de una escala en un termómetro, sino como un gráfico de probabilidades de encontrar las partículas de un elemento con cierta cantidad de energía (probabilidad vs. cantidad de energía).
Normalmente, un sistema de partículas con temperatura absoluta positiva significa que es más probable encontrar una gran cantidad de partículas con poca energía, pues están en equilibrio, y pocas partículas con mucha energía. Sin embargo, la temperatura negativa significa que esto es al revés, que es más probable encontrar partículas con mucha energía, y lo menos probable es que hayan partículas con poca energía.
La mayor parte de los sistemas no pueden alcanzar una temperatura negativa porque añadir energía a un sistema siempre incrementa su entropía, por lo que la temperatura negativa es estrictamente un fenómeno cuántico.
La temperatura negativa solía existir sólo en la teoría, sin embargo un equipo de investigadores liderados por Ulrich Schneider de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, Alemania, desarrollaron un método para alcanzar temperaturas absolutas bajo cero con un gas cuántico ultrafrío hecho de átomos de potasio.
El equipo de Schneider uso lásers y campos magnéticos para mantener a cada uno de los átomos fijos a una red. Cuando la temperatura es positiva, los átomos se repelen y la configuración es estable. Luego, el equipo reajusta rápidamente los campos magnéticos para hacer que los átomos se atraigan entre sí antes de repelerse.
“Esto hace que los átomos rápidamente cambien de su estado energético más bajo y estable, al estado energético más alto posible antes de que puedan reaccionar”, dice Schneider. “Es como caminar por un valle y verse instantáneamente en el pico de una montaña”.
Con una temperatura positiva el reajuste sería inestable causando el colapso de los átomos, pero el equipo ajustó los lásers para evitar esta situación. El resultado publicado por la revista Nature es la descripción de un gas que pasa de estar un poco por sobre el cero absoluto, a tener unas billonésimas de Kelvin bajo el cero absoluto.
Wolfgang Ketterle, un físico premio Nobel del MIT, quien demostró hace un tiempo atrás la existencia de la temperatura negativa en un sistema magnético, asegura que esta técnica podría “ser una forma de crear nuevas formas de materia en un laboratorio“. Por ejemplo, científicos calculan que un sistema de temperatura negativa podría causar que sus átomos desafíen la gravedad.
Otra de las particularidades de un sistema con temperatura negativa sería que el gas imitaría a la ‘energía oscura’, la desconocida fuerza que empuja al Universo a expandirse cada vez mas rápido por sobre la fuerza de gravedad, pues los átomos en el gas producido por el equipo de Schneider también tienden a contraerse, pero la temperatura negativa lo estabiliza.
Link: Atoms at negative absolute temperature: The hottest systems in the world (Phys.org)
