Beelden van beneden nul. Duitse onderzoekers registreerden hoe kaliumatomen die in een speciale toestand gevangen zijn gezet in een kruisvuur van lasers, even eigenschappen krijgen die duiden op een temperatuur onder het absolute nulpunt.
Beelden van beneden nul. Duitse onderzoekers registreerden hoe kaliumatomen die in een speciale toestand gevangen zijn gezet in een kruisvuur van lasers, even eigenschappen krijgen die duiden op een temperatuur onder het absolute nulpunt. © Ludwig-Maximilians-Universität

Het kan: kouder dan het absolute nulpunt

In Science melden Duitse onderzoekers vandaag dat ze voor het eerst een systeem hebben gecreëerd met een temperatuur onder het absolute nulpunt. Doorgaans geldt dat punt, minus 273 graden celsius of nul kelvin, als het koudst denkbare.

In het nog koudere systeem ontstaan bizarre eigenschappen, schrijven fysicus Immanuel Bloch en collega's van de Ludwig-Maximilians-Universität. Zo is de druk niet positief, zoals in gewone gassen, maar negatief. Ook is de viscositeit negatief: een object of signaal dat erdoor vliegt wordt niet afgeremd door wrijving, maar versneld.

In een normaal gas neemt de beweeglijkheid van moleculen af naarmate het kouder wordt. Bij minus 273 graden celsius staan de moleculen stil, en is verdere afkoeling niet mogelijk. In het speciale Duitse geval is dat omgekeerd doordat de materie zich in een zogeheten bose-einsteintoestand bevindt. De atomen verliezen daardoor hun individuele eigenschappen en vormen één samenhangend geheel.

'Behoorlijk opwindend'
Het Münchense experiment vormt de eerste rechtstreeks bevestiging van een idee dat fysicus Allard Mosk van de Universiteit Twente in 2005 beschreef, en waaraan de Duitsers uitgebreid refereren. 'In theorie wisten we al wel dat negatieve absolute temperaturenmogelijk zijn. Dat idee komt al van wijlen Nobelprijswinaar Norman F. Ramsey. Maar dat ze het nu echt realiseren in een gasachtig systeem, is behoorlijk opwindend', zegt hij opgetogen.

Op zichzelf is een temperatuur onder het absolute nulpunt voor fysici niet vreemd, omdat zij temperatuur zien als een getal dat de energieverdeling in een gas wiskundig beschrijft. In een gewoon gas is er een minimum-energie en geen maximum.

Maar in andere fysische systemen - doorgaans vooral in vaste stoffen waarin de magnetische eigenschappen van atomen een rol spelen - kan dat omgekeerd zijn. In 2005 rekende Mosk voor dat ook een stelsel van plukjes bose-einsteingas in een rooster van kruisende lasers juist een maximumenergie heeft.

Stabiel
'Het was een beetje een rare ingeving in de marge van mijn optische onderzoek, die ik toch maar heb gepubliceerd, ook al leek het toen allemaal nogal denkbeeldig', zegt hij.

Mosk is vooral blij met de Duitse metingen omdat ze laten zien dat materie onder het absolute nulpunt redelijk stabiel blijft en zich thermodynamisch verder normaal gedraagt.

Technisch lijkt vooral de automatische versterking van signalen een interessante optie, denkt Mosk. Maar er is meer. Het gegeven van een negatieve druk biedt bijvoorbeeld mogelijke nieuwe aanknopingspunten voor de kosmologie, waar een raadselachtig soort anti-zwaartekracht het universum uit elkaar lijkt te drijven.