Osiągnięto najniższą temperaturę w historii

Osiągnięto najniższą temperaturę na Ziemi. Stworzono ultrazimny gaz kwantowy

Niemieckim fizykom udało się osiągnąć najniższą temperaturę, jaką kiedykolwiek zarejestrowano na Ziemi. To zaledwie 38 bilionowych części stopnia powyżej zera absolutnego. Jak tego dokonano?

Naukowcy z University of Bremen przeprowadzili nietypowy eksperyment, który polegał na upuszczeniu tzw. gazu kwantowego i włączaniu lub wyłączaniu pola magnetycznego, co miało doprowadzić do niemal całkowitego zatrzymania jego atomów. Eksperyment się udał, dzięki czemu odnotowano najniższą temperaturę na Ziemi. Wyniki opublikowano w Physical Review Letters.

Nieuchwytne zero absolutne

Zero absolutne (bezwzględne), czyli −273,15°C (0 K) to temperatura, w której wszystkie elementy układu termodynamicznego uzyskują najniższą z możliwych energii. Jest to punkt, w którym nie występuje żaden ruch atomów. Nie da się osiągnąć tej temperatury w warunkach laboratoryjnym, gdyż niemożliwe jest usunięcie całej energii kinetycznej z atomów danego układu. Temperatura zera bezwzględnego jest teoretyczną granicą do jakiej można ochłodzić układ termodynamiczny, co wynika z trzeciej zasady termodynamiki.

Naukowcy stale zbliżają się do granicy zera absolutnego. W 2003 roku zespół naukowców z MIT w Cambridge osiągnął mechanicznie najniższą do tej pory otrzymaną temperaturę 450 pikokelwinów (4,5 x 10−10 K), a z kolei uczeni z Harvardu obserwowali najzimniejszą w historii reakcję chemiczną zachodzącą w temperaturze 500 nK, czyli 500 miliardowych części powyżej zera. Astronomowie z Cold Atom Lab na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) przeprowadzali eksperymenty w temperaturze zaledwie 100 nK.

Osiągnięcie niemieckich uczonych jest znacznie bardziej spektakularne. Uzyskana przez nich temperatura wynosiła zaledwie 38 pK (pikokelwinów), czyli 38 bilionowych części stopnia powyżej zera absolutnego.

2 sekundy szczęścia

Aby tego dokonać konieczne było uwięzienie chmury 100 000 atomów rubidu w polu magnetycznym. Następnie schłodzono ją do postaci gazu kwantowego, czyli tzw. kondensatu Bosego-Einsteina, w którym to atomy zaczynają zachowywać się jak jedna wielka struktura. Dzięki temu efekty kwantowe ujawniają się w skali makro.

Fizycy przeprowadzili eksperyment w ośrodku badawczym Bremen Drop Tower, zrzucając gaz kwantowy z wysokości 120 m. Podczas swobodnego spadania zespół wielokrotnie wyłączał i włączał pole magnetyczne, w którym znajduje się gaz. Takie zachowanie spowalnia ekspansję gazu niemal do całkowitego zatrzymania, a zmniejszenie tej prędkości cząsteczkowej skutecznie obniża temperaturę.

Właśnie w takich warunkach osiągnięto rekordowo niską temperaturę. Utrzymywała się ona tylko przez 2 sekundy, ale symulacje wykazały, że teoretycznie mogłaby trwać przez 17 sekund w warunkach mikrograwitacji (poza Ziemią).