Kouderecord: -2,7 Kelvin onder nul

Kouder dan het absolute nulpunt bestaat niet. Dat leerden generaties scholieren. Het is zelfs een van de drie hoofdwetten van de thermodynamica dat je met koelen slechts in de buurt kan komen van -273,15 graden Celsius, ofwel 0 Kelvin.

En toch publiceren zes onderzoekers van de Münchense Ludwig-Maximilians-Universität doodleuk over een negatieve temperatuur in een wolkje kaliumatomen (Science, 4 januari). Hoe is dat mogelijk?

Normaal gesproken weerspiegelt temperatuur zich in de energie van de deeltjes. Hoe heter een gas, hoe sneller de atomen bewegen. Maar eigenlijk is temperatuur een abstracter begrip, dat de verhouding bepaalt tussen enerzijds energie en anderzijds entropie, een maat voor het aantal bewegingsmogelijkheden van de deeltjes.

Vrij bewegende watermoleculen in vloeibaar water hebben meer bewegingsmogelijkheden, en dus meer entropie, dan de moleculen in ijs, vastgeklonken in het ijskristalrooster. Meestal geldt: hoe meer energie, hoe meer bewegingsvrijheid, dus hoe hoger de entropie. Maar niet altijd.

Een uitzondering is het wolkje van elfduizend kaliumatomen dat de Duitse fysici in hun nieuwe onderzoek afkoelden tot enkele graden bóven het absolute nulpunt. Ze vingen de atomen in een optisch kristalrooster, een kruisvuur van laserstralen. Dat pint de atomen vast in een regelmatig patroon, zoals de atomen in een kristal, maar wel met nog enige bewegingsvrijheid.

Vervolgens veranderden de onderzoekers de eigenschappen van de lasers volgens een complexe procedure, bedacht door de natuurkundige Allard Mosk van de Universiteit Twente. Die verandert de details van het optische kristalrooster zo dat de bewegingsvrijheid van de atomen niet toeneemt, maar juist krimpt wanneer de atomen sneller bewegen. Ofwel: de entropie neemt juist af als de energie toeneemt. Precies de voorwaarde voor die exotische negatieve temperatuur.

En inderdaad wezen metingen aan het wolkje op lokale temperaturen van -2,2 Kelvin en -2,7 Kelvin. In de jaren vijftig werden negatieve temperaturen al opgewekt in stilstaande atomen waarin alleen de magnetische toestand van de atomen kan variëren, maar nu kan het voor het eerst ook met atomen die kunnen bewegen.

Wel is het nogal een definitiekwestie of het wolkje nu ook werkelijk kouder is dan 0 Kelvin: iets dat ermee in contact zou komen zou bijvoorbeeld warmer worden, niet kouder. Door de warmteoverdracht groeit namelijk de entropie van het wolkje zelf, maar ook die van wat ermee in contact staat. Hoe dan ook, de ontdekking opent routes naar nieuwe vormen van materie en exotisch thermodynamisch gedrag, beloven de onderzoekers.

Bruno van Wayenburg