Átomos de gases congelam abaixo do zero absoluto, aponta estudo

A distribuição de Boltzmann pode ser ilustrada na forma de esferas distribuídas sobre uma paisagem montanhosa, que estabelece tanto o limite inferior quanto o limite superior para suas energias potenciais. Em temperaturas positivas (à esquerda) – o comum no dia a dia – a maioria das esferas fica no vale, ou seja, na região de mínima energia potencial. Elas mal se movem e, portanto, possuem mínima energia cinética. Estados de pequena energia total são mais prováveis que os de grande energia total – a costumeira distribuição de Boltzmann. Numa temperatura infinita (centro), as esferas espalham-se uniformemente nas regiões de energias baixas e altas, formando uma paisagem identica, e todos os estados de energia são igualmente prováveis.  No entanto, em temperaturas negativas (à direita), a maioria das esferas está ao redor do topo da colina, no limite superior de energia potencial e, além disso, a energia cinética é máxima. Os estados de grande energia total são mais ocupados que os com pequena energia total – a distribuição de Boltzmann é invertida (Max Planck Institute for Quantum Optics)
A distribuição de Boltzmann pode ser ilustrada na forma de esferas distribuídas sobre uma paisagem montanhosa, que estabelece tanto o limite inferior quanto o limite superior para suas energias potenciais. Em temperaturas positivas (à esquerda) – o comum no dia a dia – a maioria das esferas fica no vale, ou seja, na região de mínima energia potencial. Elas mal se movem e, portanto, possuem mínima energia cinética. Estados de pequena energia total são mais prováveis que os de grande energia total – a costumeira distribuição de Boltzmann. Numa temperatura infinita (centro), as esferas espalham-se uniformemente nas regiões de energias baixas e altas, formando uma paisagem identica, e todos os estados de energia são igualmente prováveis. No entanto, em temperaturas negativas (à direita), a maioria das esferas está ao redor do topo da colina, no limite superior de energia potencial e, além disso, a energia cinética é máxima. Os estados de grande energia total são mais ocupados que os com pequena energia total – a distribuição de Boltzmann é invertida (Max Planck Institute for Quantum Optics)

Pesquisadores alemães geraram “temperaturas negativas”, que eles dizem ser mais quente que o infinito. Isso pode ter aplicação na produção de motores com mais de 100% de eficiência e possibilita melhor entendimento sobre a energia-escura.

A uma temperatura hipotética de zero grau Kelvin (menos de 273,16 °C), os átomos deveriam parar de se movimentar, pois em teoria, nada pode ser congelado a uma temperatura menor que o absoluto zero K.

Mas temperaturas negativas podem existir numa escala que é em laço, ao invés de linear. Quando as temperaturas são tanto abaixo de zero como acima do infinito na região positiva desta escala, elas se tornam negativas.

Em temperaturas positivas, os átomos são mais propensos a ocupar estados de baixa energia que de alta energia, um padrão chamado de distribuição de Boltzmann. Quando aquecidos, os átomos podem atingir níveis mais elevados de energia.

“A distribuição de Boltzmann invertida é característico da temperatura negativa absoluta, e isso é o nos conseguimos”, disse o coautor do estudo, Ulrich Schneider, da Universidade de Munique, num comunicado de imprensa. “No entanto, o gás não é mais frio que zero Kelvin e sim mais quente”.

“É inclusive mais quente que qualquer temperatura positiva, pois a escala de temperatura simplesmente não termina no infinito, em vez disso, salta para valores negativos.”

Objetos com temperaturas absolutas negativas comportam-se estranhamente, por exemplo, a energia flui a partir deles para objetos com temperatura positiva.

Os pesquisadores criaram um sistema que limita a energia dos átomos ao resfriarem cerca de 100 mil átomos à temperatura de poucos nanokelvins – bilionésimo de kelvin – numa câmara de vácuo, usando uma rede de feixes laser ou “optial lattice”, campos magnéticos para controlar o comportamento dos átomos e levá-los a uma zona de temperatura negativa.

A temperatura depende da pressão, do movimento dos átomos e da nergia potencial. O gás foi submetido a uma pressão negativa, o “lattice” limitou suas energias potencial e os campos magnéticos fizeram que eles se repelissem.

A matéria em temperaturas absoluta negativas pode ser utilizada para criar motores térmicos com eficiência superior a 100%, que podem absorver energia a partir de substâncias frias bem como quentes.

Isso também tem relevância na cosmologia, porque é um comportamento termodinâmico que pode ser comparado às propriedades de energia-escura – que acreditam estar acelerando a expansão do universo – pois embora a pressão negativa de um gás congelado signifique seu colapso, sua temperatura negativa impede que isso ocorra.

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