Koldeste sted

Bose-Einstein-kondensat.

Spørgsmål fra ij, Riisvangen


Man kunne forestille sig, at det er et sted i det ydre rum, langt væk solens varmende stråling. Men passer det virkelig, eller er der andre ekstremt kolde steder, f.eks. i moderne fysiklaboratorier?

For at besvare spørgsmålet, bliver vi nødt til at diskutere, hvad temperatur egentlig er. Atomerne, der udgør universet, er altid i bevægelse. Det kan være i en gassky, hvor molekylerne svæver rundt blandt hinanden; i en væske, hvor partiklerne flyder af sted; eller i et fast stof, hvor atomerne sidder i en krystalstruktur, mens de vibrerer. I hvert tilfælde kan vi tilordne en temperatur til den gennemsnitlige hastighed af atomerne. Over tiden er der blevet indført mange temperaturskalaer (så som Celcius- og Fahrenheit-skalaen), der bruges i forskellige egne af verden.

Der skete et stort gennembrud i 1848, hvor William Thomson (Lord Kelvin) indså, at der findes en minimal temperatur, hvor al bevægelse ophører. Han introducerede en ny skala, hvor denne minimale temperatur kaldes 0 Kelvin, og stuetemperatur ligger ved 293 Kelvin (K). I dag er det den foretrukne temperaturskala blandt fysikere.

For at undersøge f.eks. atomer eller molekyler er det naturligvis fordelagtigt, hvis de bevæger sig så lidt som muligt. Derfor er der blevet udviklet mange køleteknikker for at nå stadig lavere temperaturer. Nogle af milepælene på denne vej var blandt andet, da det lykkedes at fremstille flydende kvælstof ved 77 K i 1905 og flydende helium ved 4 K i 1908. Disse væsker er i dag kommercielt tilgængelige over det meste af verden, og de kan anvendes til at køle andre stoffer.

Inden for mange forskningsområder er disse temperaturer dog stadig for høje! Den resterende bevægelse blandt partiklerne skjuler de kvantemekaniske effekter, som ofte er vigtige at måle. Derfor er der blevet udviklet endnu bedre og mere specialiserede køleteknikker.

En af dem kaldes laserkøling. I denne teknik udnyttes trykket fra en laserstråle til at fange atomer fra en gas og indespærre dem i en beholder, der udgøres af lys. Samtidig køler denne teknik atomerne meget, og man har opnået temperaturer så lave som 1 mikrokelvin (en milliontedel af grad over 0 Kelvin). Ikke desto mindre er disse laserkølede atomer ikke det koldeste stof i universet!

I 1990'erne indledtes blandt fysikere en jagt på et mærkeligt kvantemekanisk fænomen, som Albert Einstein forudsagde i 1925. Det kaldes Bose-Einstein-kondensering (BEC) efter ham og hans indiske samarbejdspartner, Satyendra Nath Bose. Han forudsagde, at visse partikler samlet i en gas ved ekstremt lav temperatur og høj tæthed vil stå fuldstændig stille. Dette mål blev opnået i 1995 af to forskergrupper med Carl Wiemann, Eric Cornell og Wolfgang Ketterle i spidsen, og de blev sidenhen tildelt en Nobelpris for bedriften.

Det lykkedes dem at opnå lavere temperaturer ved at følge en simpel strategi: De overførte de laserkølede atomer til en ekstremt velisoleret beholder i form af et magnetfelt. De begyndte så langsomt at fjerne de varmeste atomer, således at de, der blev tilbage, bagefter havde en lavere temperatur. Således blev det første BEC i en gas skabt og dermed atomer ved den koldeste temperatur i universet!

Er atomerne i BEC'et så ved 0 Kelvin? Atomerne i selve BEC'et er faktisk tæt på stilstand, men de er altid omgivet af nogle få atomer, der stadig har en temperatur. Den laveste målte temperatur var 1 nanokelvin (kun 1 milliardtedel af en grad over 0 Kelvin)!

Ved Institut for Fysik og Astronomi produceres der regelmæssigt BEC'er for at undersøge egenskaberne af kvantemekaniske systemer ved disse temperaturer. Du kan læse mere om vores nuværende og tidligere forskning på vores hjemmeside: phys.au.dk/uqgg/

Med venlig hilsen

Jan Arlt, lektor

 

 

Læs mere:

Laserkøling: www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/

BEC: www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2001/

Temperaturrekord:  news.mit.edu/2003/cooling