Energia

Temperaturas abaixo do zero absoluto podem ser alcançadas

É possível atingir temperaturas abaixo do zero absoluto
É possível saltar sobre a barreira do zero absoluto, passando diretamente de uma determinada temperatura absoluta positiva - acima do zero absoluto - para uma temperatura absoluta negativa - abaixo do zero absoluto. [Imagem: Croisy/Shutterstock/New Scientist]

A relatividade do zero absoluto

Zero ABSOLUTO é um termo que impressiona.

Soa como um limite inviolável, além do qual é impossível pensar em qualquer experimento.

Mas, na realidade, há um estranho reino de "temperaturas negativas absolutas", abaixo do "zero absoluto", que não só são previstas pela teoria, como também já se mostraram alcançáveis na prática.

Agora, cientistas acreditam ter encontrado uma maneira melhor de ultrapassar esse absoluto.

Se eles estiverem corretos, experimentos poderão revelar novos estados da matéria em um futuro muito próximo - dentro de mais ou menos um ano.

Entropia

A temperatura é definida pela forma como a adição ou a remoção de energia afeta a quantidade de desordem, ou entropia, em um sistema.

Para os sistemas nas temperaturas positivas com as quais estamos acostumados, o acréscimo de energia aumenta a desordem: aquecer um cristal de gelo vai fazer com que ele se derreta em um líquido mais desordenado, por exemplo.

Continue a remover energia e você vai chegar cada vez mais perto do zero na escala absoluta, ou escala Kelvin, estabelecido em -273,15 ° C, onde a energia do sistema e a entropia estarão no mínimo.

Temperaturas absolutas negativas

Sistemas de temperatura negativa - entendidas como abaixo do zero absoluto - têm comportamento oposto: acrescentar energia reduz sua desordem e, portanto, sua temperatura.

Mas eles não são frios no sentido convencional de que o calor irá fluir para eles a partir de sistemas com temperaturas positivas.

Na verdade, os sistemas com temperaturas absolutas negativas têm mais átomos em estados de alta energia do que é possível mesmo nas mais elevadas temperaturas na escala das "absolutas positivas".

Assim, o calor deve sempre fluir deles para os sistemas acima de zero Kelvin.

Como criar temperaturas abaixo do zero absoluto

Criar sistemas de temperatura negativa para estudar as propriedades desse mundo bizarro, contudo, pode ser complicado.

Não dá para criá-los de maneira suave e contínua, sempre baixando a temperatura, já que não será possível romper a barreira do zero absoluto da maneira usual.

Mas é possível saltar sobre essa barreira, passando diretamente de uma determinada temperatura absoluta positiva - acima do zero absoluto - para uma temperatura absoluta negativa - abaixo do zero absoluto.

Isso já foi feito em experimentos nos quais núcleos atômicos foram colocados em um campo magnético, sob o qual eles agem como minúsculos ímãs, alinhando-se com o campo.

Quando o campo é subitamente revertido, os núcleos ficam momentaneamente alinhados na direção oposta àquela que corresponde ao seu menor estado de energia.

Na fração de tempo em que permanecem nesse estado fugaz, eles se comportam de forma coerente com a de um sistema com temperaturas absolutas negativas. Logo, contudo, eles se viram e se realinham com o campo.

É possível atingir temperaturas abaixo do zero absoluto
Esquema da entropia como uma função da energia para sistemas com limites superior e inferior de energia. [Imagem: Rapp et al./PRL]

Experimento para superar o zero absoluto

Como os núcleos só podem alternar entre dois estados possíveis - paralelo ao campo ou oposto a ele - este set-up oferece poucas possibilidades para investigação.

Em 2005, Allard Mosk, atualmente na Universidade de Twente, na Holanda, idealizou um experimento que poderia oferecer mais possibilidades de estudos do regime de temperaturas negativas.

Primeiro, lasers são usados para agrupar os átomos até formar uma bola muito coesa, que estaria em um estado altamente ordenado, ou de baixa entropia.

Outros lasers são então disparados sobre a bola de átomos para criar uma matriz de luz, a chamada grade óptica, que circundaria a bola de átomos com uma série de "poços" de baixa energia.

O primeiro conjunto de lasers é então reajustado de modo que eles passam a tentar desconstruir a bola de átomos.

Isso deixa os átomos em um estado instável, como se estivessem equilibrados no pico de uma montanha, prestes a rolar ladeira abaixo.

A grade óptica funciona como uma série de fendas ao longo da montanha, travando a "descida" dos átomos montanha abaixo.

Neste estado, remover parte da energia potencial dos átomos, levando-os a rolar e se distanciar uns dos outros, levaria a uma maior desordem - a exata definição de um sistema de temperaturas absolutas negativas.

Testando as temperaturas absolutas negativas

Agora a ideia de Mosk foi refinada por Achim Rosch e seus colegas da Universidade de Colônia, na Alemanha.

A nova proposta de experimento é essencialmente a mesma, mas os cálculos de Rosch e sua equipe dão mais fundamento à ideia, sustentando que ela é realmente factível.

O grande avanço, contudo, é que eles sugerem uma maneira de testar se o experimento realmente produzirá temperaturas negativas absolutas.

Como os átomos no estado de temperaturas negativas têm energias relativamente altas, eles deverão se mover mais rapidamente quando liberados da armadilha do que ocorrerá com uma nuvem de átomos com temperatura positiva.

"O novo trabalho mostra que atingir temperaturas negativas desse modo no laboratório é algo realístico," afirma o próprio Mosk, que não está envolvido neste novo estudo. "Isso é algo que eu ficaria muito entusiasmado em ver."

Surpresas à frente

Rosch e seus colegas são físicos teóricos, não estando preparados para realizar o experimento que propõem.

Mas eles acreditam que uma equipe de experimentalistas poderia testar sua proposta dentro de um ano ou pouco mais.

"Pode-se usar isto para estudar e criar novos estados da matéria e jogar com eles em regimes nos quais não estamos acostumados," disse Rosch.

Segundo ele, contudo, este é um território desconhecido, nunca antes mapeado, com grande potencial para revelar surpresas.

Bibliografia:

Equilibration Rates and Negative Absolute Temperatures for Ultracold Atoms in Optical Lattices
Akos Rapp, Stephan Mandt, Achim Rosch
Physical Review Letters
Vol.: 105, 220405
DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.220405




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