Z fizycznego punktu widzenia ciepło jest miarą prędkości, z jaką poruszają się cząsteczki. Schładzanie to nic innego, jak spowalnianie ich ruchów. Można sobie wyobrazić, że gdy schłodzi się je wystarczająco mocno, przestaną w ogóle się poruszać. Będzie to najniższa możliwa do osiągnięcia temperatura (nazywana temperaturą zera absolutnego) czyli 273,15 stopni Celsjusza poniżej zera. W skali Kelwina zaś – zero.

Naukowcy coraz bardziej zbliżają się do tej granicy. Kilka lat temu badacze z Uniwersytetu Harvarda osiągnęli 500 nanokelwinów, czyli zaledwie 500 miliardowych części kelwina. W laboratorium Cold Atom Lab na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej udało się zejść jeszcze niżej, do 100 nanokelwinów.

To temperatury, które wydają się wysokie w porównaniu z najnowszym rekordem zimna. Zespołowi fizyków z Uniwersytetu w Bremie udało się sprawić, by cząsteczki poruszały się tysiące razy wolniej. Osiągnęli w ten sposób temperaturę zaledwie 38 pikokelwinów, czyli bilionowych części kelwina.

Rekord niskiej temperatury dzięki magnetycznej pułapce

Jak osiągnęli taką temperaturę? Zamknęli chmurę stu tysięcy atomów rubidu w komorze próżniowej i złapali je w magnetyczną pułapkę. Ponieważ odpowiednio dostrojone pole magnetyczne może „sterować” cząsteczkami, można też w ten sposób powstrzymać ich drgania. Tak udało się schłodzić atomy do temperatury dwóch miliardowych części kelwina.

Tłumienie drgań cząsteczek za pomocą pola magnetycznego ma jednak swoje ograniczenia. By schłodzić je bardziej, potrzeba było innego sposobu. Badacze postanowili całość zrzucić ze specjalnej wieży, Bremen Drop Tower. Ta konstrukcja o wysokości 120 metrów służy fizykom do zrzucania różnych rzeczy w ściśle kontrolowanych warunkach. Głównie po to, by przez pewien krótki czas osiągnąć efekt nieważkości.

Podczas swobodnego spadku atomów badacze na przemian wyłączali i włączali pole magnetyczne. Jego wyłączenie sprawiało, że gaz próbował się rozprężać. Natychmiastowe włączenie pola magnetycznego ten proces zatrzymywało. To jeszcze bardziej spowolniło ruch cząsteczek – a więc jeszcze bardziej obniżyło ich temperaturę i pozwoliło na zbliżenie się do zera absolutnego.

Po co fizycy biją rekordy zimna?

Dlaczego badacze poszukują tak niskich temperatur? Głównie po to, żeby móc łatwiej badać efekty kwantowe, które na co dzień zachodzą w atomowej mikroskali.

W ekstremalnie niskich temperaturach, gdy ustaje wszelki ruch, wszystkie cząsteczki zachowują się tak samo. Taki stan nazywa się kondensatem Bosego-Einsteina. Układy złożone z wielu atomów przejawiają wtedy zachowania kwantowe – na przykład zachowują się jak fale.

Tworzenie takich kondensatów pozwala fizykom badać różne kwantowe efekty łatwiej, bo na obiekcie setki tysięcy razy większym niż pojedynczy atom. Ten stan materii jest jednak bardzo wrażliwy na wszelkie działające nań siły – w tym siłę przyciągania. To dlatego naukowcy postanowili zrzucić obiekt swoich badań z wieży i zasymulować nieważkość.

Kontrolowany upadek atomów rubidu z wieży w Bremie trwał zaledwie dwie sekundy. Z obliczeń autorów badania wynika jednak, że w stanie nieważkości można by tak rekordowo niską temperaturę utrzymać dłużej, przez kilkanaście sekund. Dalsze eksperymenty pokażą, czy jest to możliwe.

Źródła: University of Bremen, Physical Review Letters.