Oltre lo zero assoluto, una temperatura negativa "scottante".

Fonte: LeScienze

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Sfruttando le proprietà quantistiche che emergono in gas ultrafreddi portati allo stato di condensati di Bose-Einstein, un gruppo di ricerca tedesco ha raggiunto una temperatura di alcuni nanokelvin inferiore allo zero assoluto. Questi gas a temperatura assoluta negativa si comportano per alcuni aspetti come se fossero "infinitamente caldi".
Sfruttando proprietà quantistiche, un gruppo di ricercatori della Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco di Baviera e del Max-Planck-Institut per l'ottica quantistica a Garching è riuscito per la prima volta a portare una nuvola di 100.000 atomi di potassio - precedentemente portata a uno stato di condensato di Bose-Einstein - a una temperatura inferiore allo zero assoluto. "Le temperature che abbiamo ottenuto sono negative di alcuni nanokelvin", spiega Ulrich Schneider, che ha diretto la ricerca, descritta in un articolo pubblicato su “Science”.

Parlare di qualcosa che sia più freddo dello zero assoluto, può sembrare assurdo, ma solo perché intuitivamente si fa riferimento alla definizione di scala assoluta della temperatura introdotta da Lord Kelvin intorno alla metà del XIX secolo. Secondo questa scala, la temperatura assoluta di un gas è legata all'energia media delle particelle che lo compongono, per cui lo zero assoluto (0 K, pari a -273,15 °C), corrisponde allo stato teorico in cui le particelle sono prive di energia, mentre a temperature più elevate corrispondono valori di energia media progressivamente superiori.

Negli ultimi cinquant'anni, studiando stati esotici della materia, si è capito però che le cose sono più complesse e che la definizione di temperatura richiede maggiori specificazioni. Nei sistemi fisici più familiari, l'aggiunta di energia porta a un aumento del disordine, o entropia, del sistema: per esempio, riscaldando un cristallo di ghiaccio, questo fonde in un liquido, che ha uno stato più disordinato. Sottraendo energia, invece, il sistema diventa più ordinato. E proprio al rapporto fra variazione di energia fornita a un sistema e variazione della sua entropia fa riferimento una definizione più sofisticata di temperatura.

Per temperature assolute positive (in alto, in blu) gli stati di bassa energia sono i più popolati, per temperature assolute negative, a esere maggiormente occupati sono gli stati energetici più alti. (Cortesia LMU / MPQ Munich)

I fisici però successivamente hanno scoperto che possono verificarsi situazioni in cui, fornendo energia al sistema, questo invece di diventare più disordinato diventa più ordinato: sono appunto i sistemi a temperatura (assoluta) negativa. Questa possibilità è legata al fatto che la temperatura di un sistema può essere vista come una distribuzione di probabilità delle energie a cui si trovano le sue particelle. Solitamente, gran parte delle particelle che compone un sistema ha un'energia vicina a quella media del sistema e solo poche di esse si trovano a energie elevate (o più basse). Tuttavia, in linea teorica questa distribuzione può essere invertita, portando a una situazione in cui il segno della temperatura assoluta cambia e da positivo diventa negativo.

A questa inversione di segno corrispondono altrettanti cambiamenti nei comportamenti dei sistemi a temperatura assoluta negativa: per esempio, mentre normalmente un gas riscaldato si espande, in questi singolari sistemi si contrae, e mentre di solito il calore fluisce da un corpo più caldo a quello più freddo, qui avviene l'opposto. Dal punto di vista matematico, un sistema a temperatura assoluta negativa si comporta come se fosse un sistema a temperatura infinita!

Sfruttando atomi ultrafreddi racchiusi trappole ottiche e una serie ben calibrata di raggi laser e campi magnetici per controllare con precisione il comportamento degli atomi, i ricercatori tedeschi hanno raggiunto una temperatura di alcuni nanokelvin inferiore allo zero assoluto per il loro gas ultrafreddo. Finora sistemi di questo tipo erano stati prospettati solo in via teorica; la dimostrazione che possano venire effettivamente creati apre la strada allo sviluppo di apparecchiature dotate di un'efficienza impensabile, pur dovendo essere di dimensioni nanoscopiche ossia a scale a cui si manifestano gli effetti quantistici.

Lo studio dello strano comportamento dei sistemi a temperature negative, osservano Schneider e colleghi, potrebbe anche essere utile alla creazione di nuovi modelli cosmologici, e per comprendere meglio il comportamento dell'energia oscura, ovvero della misteriosa forza che si ipotizza contrastare la forza di gravità, agendo così da motore dell'espansione dell'universo.