Alcuni sistemi fisici possono avere una temperatura negativa sulla scala assoluta. Queste temperature non sono più fredde dello zero, ma ‘più calde dell’infinito’.
Nel 2013, un gruppo di ricercatori tedeschi ha dimostrato che è possibile raggiungere temperature negative assolute in un gas ultrafreddo di atomi di potassio, sfruttando le particolari proprietà quantistiche di uno stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein. A queste temperature, il comportamento del gas risulta invertito rispetto alle convenzionali: gli stati energetici più alti sono più popolati rispetto a quelli a bassa energia. Questo risultato, ottenuto attraverso un controllo preciso delle interazioni atomiche, apre la strada a nuovi studi sulla materia e offre potenziali sviluppi per la comprensione di fenomeni cosmologici come l’energia oscura, oltre a fornire un nuovo strumento per lo studio dei sistemi quantistici complessi.
Dalla fisica classica a quella quantistica
Per temperature assolute positive, gli stati a bassa energia sono i più popolati, mentre in presenza di temperature negative si verifica l’opposto: le particelle occupano prevalentemente stati ad alta energia. Crediti: LMU e MPG Munich.
Per comprendere appieno questo risultato, è utile rivedere il concetto di temperatura in chiave quantistica. La temperatura assoluta, come spiegano Braun et al., è legata alla variazione dell’entropia rispetto all’energia. In un sistema “normale”, l’entropia aumenta con l’energia, risultando in una temperatura positiva. Tuttavia, in particolari condizioni, l’entropia può diminuire con l’aumento dell’energia, portando a una temperatura negativa.
L’inversione della temperatura assoluta comporta cambiamenti notevoli nel comportamento dei sistemi. Ad esempio, in un sistema a temperatura positiva, un gas riscaldato tende ad espandersi, mentre in un sistema a temperatura assoluta negativa accade il contrario: il gas si contrae. Analogamente, in condizioni normali, il calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo, ma in un sistema a temperatura negativa, questo processo si inverte e il calore può muoversi dal corpo più freddo a quello più caldo.
I dettagli dell’esperimento
Sfruttando le proprietà quantistiche di gas ultrafreddi, i ricercatori hanno ottenuto una temperatura inferiore allo zero assoluto. Questo risultato sorprendente è stato raggiunto utilizzando un gas di atomi di potassio a temperatura ultrabassa, intrappolati in un reticolo ottico. La chiave dell’esperimento è stata creare un sistema con limiti sia inferiori che superiori per l’energia. Come spiegano gli autori: “Abbiamo creato un gas con una distribuzione energetica invertita: molte particelle hanno energie elevate e solo poche energie basse. Questa inversione significa che le particelle hanno raggiunto una temperatura negativa assoluta”.
Dal punto di vista matematico, un sistema a temperatura assoluta negativa si comporta come se fosse a “temperatura infinita”. Questo perché, in tali condizioni, la distribuzione dell’energia è completamente ribaltata rispetto alla distribuzione di Boltzmann tipica di temperature positive, con una maggiore probabilità di trovare il sistema in stati ad alta energia piuttosto che in stati a bassa energia.
Implicazioni e prospettive future
Le implicazioni di questa scoperta sono enormi. Per esempio, i sistemi a temperatura negativa potrebbero aiutare a comprendere meglio l’energia oscura che pervade l’universo e ne comporta l’espansione.
Nonostante l’entusiasmo, ci sono ancora molte sfide da affrontare. La stabilità dei sistemi a temperatura negativa è fondamentale per qualsiasi applicazione pratica. Il team ha dimostrato che il loro sistema può mantenere la coerenza per oltre 600 millisecondi in condizioni ottimali, un tempo significativo nel mondo quantistico.
Tuttavia, come notano gli autori, questi stati sono intrinsecamente metastabili e sensibili alle perturbazioni esterne. La loro realizzazione apre nuove possibilità per studiare fenomeni quantistici fondamentali e applicazioni tecnologiche future. Come concludono Braun et al.: “Le temperature negative ampliano considerevolmente lo spazio dei parametri per le simulazioni quantistiche nei reticoli ottici”.
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo “Oltre lo zero assoluto, una temperatura negativa ‘scottante’” su Le Scienze.
- Leggi l’articolo “Quantum gas goes below absolute zero” su Nature.
- Leggi l’articolo “A temperature below absolute zero” su Max Planck Society.
- Leggi il paper “Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom” su Science.
