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Abaixo do zero absoluto

Estudos de átomos ultra frios abrem caminhos para novos materiais e para descobertas em cosmologia

Zeeya Merali e revista Nature
Shutterstock
Da revista Nature 

Isso pode soar mais improvável que o inferno congelando, mas físicos criaram um gás atômico com temperatura abaixo do zero absoluto pela primeira vez. A técnica abre a porta para a produção de materiais Kelvin-negativos e novos dispositivos quânticos, e poderia até mesmo ajudar a solucionar um mistério cosmológico.

Lorde Kelvin definiu a escala de temperatura absoluta em meados do século 19, propondo que nada poderia ser mais frio que o zero absoluto.

Mais tarde físicos perceberam que a temperatura absoluta de um gás está associada à energia média de suas partículas. O zero absoluto corresponde ao estado teórico em que partículas não têm energia nenhuma, e temperaturas mais altas correspondem a energias médias mais altas.

Por volta de 1950, porém, físicos que trabalhavam com sistemas mais exóticos começaram a perceber que isso nem sempre era verdade: tecnicamente, você lê a temperatura de um sistema a partir de um gráfico que mostra as probabilidades de suas partículas em certos estados de energia.

Normalmente, a maioria das partículas tem energia próxima da média, com apenas algumas partículas zunindo em energias mais altas. Em teoria, se a situação for revertida, com mais partículas tendo energias mais altas, em vez de mais baixas, o gráfico viraria de cabeça para baixo e o sinal de temperatura mudaria de uma temperatura positiva absoluta para uma negativa, explica Ulrich Schneider, físico da Universidade Ludwig Maximilian em Munique, na Alemanha.

Picos e Vales

Schneider e seus colegas atingiram temperaturas abaixo do zero absoluto com um gás quântico ultrafrio composto por átomos de potássio.

Usando lasers e campos magnéticos, eles mantiveram os átomos individuais em um arranjo trançado. Em temperaturas positivas, os átomos se repelem, tornando a configuração estável.

A equipe então ajustou rapidamente os campos magnéticos, fazendo com que os átomos se atraíssem em vez de se repelirem. “Isso muda repentinamente os átomos de seu estado mais estável, de baixa energia, para o estado de mais alta energia possível, antes que eles possam reagir”, explica Schneider. “É como estar caminhando por um vale e instantaneamente aparecer no topo da montanha”. 

Em temperaturas positivas, essa reversão seria instável e provocaria o colapso dos átomos. Para evitar o colapso, a equipe também ajustou o campo de captura laser favorecendo, do ponto de vista energético, a manutenção dos átomos em suas posições.

Esse resultado, descrito em 2 de janeiro na Science, marca a transição do gás logo acima do zero absoluto para poucos bilionésimos de Kelvin abaixo do zero absoluto.

Wolfgang Ketterle, físico e Prêmio Nobel do Massachusetts Institute of Technology em Cambridge, que anteriormente demonstrou temperaturas negativas absolutas em um sistema magnético, chama o último trabalho de “um tour de force experimental”.

Estados exóticos de alta energia que são difíceis de gerar em laboratório a temperaturas positivas se tornam estáveis em temperaturas absolutas negativas – “como se você pudesse virar uma pirâmide de ponta cabeça e sem se preocupar com ela caindo”, compara ele – e assim técnicas desse tipo podem permitir que esses estados sejam estudados em detalhes. “Essa pode ser uma maneira de criar novos formas de matéria em laboratório”, adiciona Ketterle.  

Se construídos, esses sistemas se comportariam de maneiras estranhas, observa Achim Rosch, físico teórico da Universidade de Cologne, na Alemanha, que propôs a técnica usada por Schneider e sua equipe.

Rosch e seus colegas, por exemplo, calcularam que enquanto nuvens de átomos seriam normalmente puxadas para baixo pela gravidade, se parte da nuvem estiver em uma temperatura absoluta negativa, alguns átomos se moverão para cima, aparentemente desafiando a gravidade.

Outra peculiaridade do gás a temperaturas abaixo do zero absoluto é que ele imita a ‘energia escura’, a misteriosa força que faz o Universo se expandir a uma velocidade cada vez maior contra o arrasto gravitacional.

Schneider aponta que os átomos atrativos no gás produzido pela equipe também tendem ao colapso, mas não o faz porque a temperatura negativa absoluta os estabiliza. “É interessante ver que essa característica estranha está presente no Universo e também no laboratório”, declara ele. “Os cosmólogos deveriam olhar [o fenômeno registrado pelo  experimento] mais de perto”.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 3 de janeiro de 2013.
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