來自《自然》雜誌
這聽起來可能比地獄結冰更不可能，但物理學家首次創造出溫度低於絕對零度的原子氣體。他們的技術為生成負開爾文材料和新的量子裝置打開了大門，甚至可能有助於解決一個宇宙學謎團。
19世紀中期，開爾文勳爵定義了絕對溫標，使得任何物質的溫度都不能低於絕對零度。物理學家後來意識到，氣體的絕對溫度與其粒子的平均能量有關。絕對零度對應於粒子完全沒有能量的理論狀態，而較高的溫度對應於較高的平均能量。
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然而，到了20世紀50年代，研究更奇異系統的物理學家開始意識到這並非總是如此：從技術上講，您是透過一張圖表來讀取系統的溫度，該圖表繪製的是系統中粒子以特定能量被發現的機率。通常，大多數粒子具有平均或接近平均的能量，只有少數粒子以較高的能量快速移動。理論上，如果情況相反，更多的粒子具有較高的能量而不是較低的能量，則該圖會翻轉，並且溫度的符號將從正絕對溫度變為負絕對溫度，德國慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學的物理學家烏爾裡希·施耐德解釋說。
峰和谷
施耐德和他的同事們利用由鉀原子組成的超冷量子氣體達到了這種低於絕對零度的溫度。他們使用雷射和磁場將單個原子保持在晶格排列中。在正溫度下，原子會相互排斥，從而使配置穩定。然後，該團隊快速調整了磁場，導致原子相互吸引而不是相互排斥。“這會突然將原子從它們最穩定、能量最低的狀態轉移到可能的最高能量狀態，然後它們才能做出反應，”施耐德說。“這就像穿過山谷，然後立即發現自己身處山峰之巔。”
在正溫度下，這種反轉是不穩定的，原子會向內塌縮。但是該團隊還調整了捕獲雷射場，使原子更容易保持在它們的位置上。這一結果今天在《科學》雜誌上發表，標誌著該氣體從略高於絕對零度過渡到低於絕對零度幾個十億分之一開爾文。
馬薩諸塞州劍橋麻省理工學院的物理學家兼諾貝爾獎得主沃爾夫岡·凱特勒曾展示過磁系統中的負絕對溫度，他稱這項最新的工作是“一次實驗上的重大突破”。在正溫度下難以在實驗室中產生的外來高能狀態在負絕對溫度下變得穩定——“就像你可以將金字塔倒立放置而不用擔心它會倒塌一樣，”他指出——因此這些技術可以允許詳細研究這些狀態。“這可能是在實驗室中創造新型物質的一種方法，”凱特勒補充道。
德國科隆大學的理論物理學家阿奇姆·羅施說，如果建成，這種系統將會以奇怪的方式運作，他提出了施耐德及其團隊使用的技術。例如，羅施和他的同事們已經計算出，原子雲通常會被重力向下牽引，如果雲的一部分處於負絕對溫度，則一些原子會向上移動，顯然是在違抗重力。
這種低於絕對零度的氣體的另一個特點是它模仿了“暗能量”，這種神秘的力量推動宇宙以越來越快的速度膨脹，與向內的引力抗衡。施耐德指出，該團隊產生的氣體中相互吸引的原子也想要向內塌縮，但由於負絕對溫度穩定了它們，因此沒有塌縮。“有趣的是，這種奇怪的特性出現在宇宙中，也出現在實驗室中，”他說。“這可能是宇宙學家應該更密切關注的事情。”