NurseAngelの日記： 絶対零度以下の作成に成功

科学ニュースの森
http://blog.livedoor.jp/xcrex/archives/65727334.html

カリウム原子ガスはとても小さなプラスの絶対温度から、10億分の数 度ほどマイナスの絶対温度を造りだすことに成功した。
例えば彼らの計算によると、通 常状態での原子の集合は重力に引かれて落ちていくが、絶対零度以下の物質は重力に逆らって上昇していくものと考えられる。

絶対零度より後者の方が大ニュースな気もするけどどうなんだろう。

負の絶対温度では重力が引力ではなくて斥力に

[hig (25417)]

まさかぁ、誤訳じゃないの？と思って元記事の英文 [nature.com]を斜め読みしたのですが、確かにそうかいてありますね。
負の絶対温度では重力が引力ではなくて斥力になるってことですかねぇ。

Re:負の絶対温度では重力が引力ではなくて斥力に

[phason (22006)]

>負の絶対温度では重力が引力ではなくて斥力になるってことですかねぇ。

違います．
あくまでも集団運動として，一部にエネルギーが集中する変な流れが出来る，という感じです．
例えば通常の集団ですと，

・エネルギーの高いものから低いものへの再分配が起こる
・結果として平均化する

となるところが，負温度の分布だと

・全体としてはポテンシャルの底に沈み込む
・その際の余剰のエネルギーの一部が，エネルギーの高い粒子に受け渡されさらにそいつらのエネルギーが高くなる
・結果，（集団の一部の）エネルギーの不均一性がさらに強まる

というような感じで．変な比喩ですが，コップから水をぶちまけると，大多数が落ちる代わりにそいつらを踏み台に上方に駆け上がっていく一群が居る，というか．
当然，「集団全体」としては重力で落ちていきますし，エントロピーなども増える方向で．

Re:負の絶対温度では重力が引力ではなくて斥力に

[okky (2487)]

川の流れの中には、渦を描く部分もあって、結果としてその一部分を見ると、川をさかのぼってるように見える…
ってのに似てる現象ですかね、これは

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fjの教祖様

なんなんだろう

[parsley (5772)]

上の重鎮たちのコメントにぶら下げるのが怖いので、スレ割るけど、「みかけの音頭温度」とかでチャンチャンと終わるような問題であることを祈る。

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Re:なんなんだろう

[phason (22006)]

レーザーなんかと同じ反転分布です．

エネルギーの高い状態の占有率の方が，エネルギーの低い状態の占有率よりも高くて，ボルツマン分布で無理に表現すると温度の値として負を代入したのと同じと見なせる，というあれです．
それを運動の自由度で実現しましたよ，ってのが今回の報告になります．

例えば理想気体なんかを考えます．話を簡単にするためにx方向の速度だけに注目すると，どんなに温度を上げていっても統計力学的には（x方向の）速度がゼロの粒子が一番数が多くなります．温度が絶対零度に近ければほぼ全粒子の速度がゼロで，温度が上がって行くに従って徐々にx方向の速度の多い粒子も出現するようになる（ただしその数は速度の絶対値が大きい粒子ほど少なく，速度ゼロの粒子が一番多い）というのが熱力学の帰結です．

ところがこれをいろいろ頑張って粒子を操作してやって，「x方向の速度が（ほぼ）±1の粒子しか居ないような集団を作りました！」ってのが今回の報告です．そうするとx方向の速度がゼロの粒子（通常の温度分布では必ず数が一番多い）よりも速度が±1の粒子の方が多くなっちゃうんで，ボルツマン分布として記述すると温度が負として定義されるよ，と．

Re:なんなんだろう

[parsley (5772)]

Phasonさんに返事わざわざ頂いちゃったので、もう壊れてみるか。
これってこないだの記事のヘリウム3なんか[面に抑え込んだら液化した]とも(直接ではなくとも)関係するような話題なんですね？

私は物理じゃなくて、完全に工学畑です

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Re:なんなんだろう

[phason (22006)]

基本的にはほとんど関係が無い……と言って良いかと思います．

一応今回の実験，2次元系にしてやってはいるのですが，主な目的としては重力の影響を除く（3次元系だと上下運動に重力が効いてくる）とか，ポテンシャルのコントロールを容易にする（3次元空間の任意の点のポテンシャルをコントロールするのは難しいが，基板表面上のポテンシャルのコントロールなら下に付けたゲート電極で思いのまま）とかで，特に2次元系である必要は（原理的には）ありません．

一方の前回のヘリウムの話は，「これまでの理論計算だと液化しないはずの2次元系の³Heが，実験してみたら液化した」と言う話ですので，2次元系である事が本質になってきます（3次元だと古くから知られているように当然液化する）．