Antes que o inferno congele

A notícia saiu no dia 3 de janeiro na Nature (também pode ser vista no ArsTechnica) e como eu e o César estamos no sofrimento do final do mestrado, não conseguimos escrever antes, mas antes tarde do que nunca.

A manchete diz: Físicos atingem temperaturas abaixo do zero absoluto. Mas primeiro, o que entendemos por temperatura? Aprendemos no colégio que a temperatura de um  gás está relacionada com a energia cinética das partículas, isto é, com a velocidade com que elas se movem. Pensando assim, deve existir um limite no qual as partículas tem o mínimo de energia cinética e estão ‘paradas’. Esse limite foi definido em 1849 por William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin, como sendo o zero absoluto (que corresponde à -273,15 ºC ).  Bom, mas então o que significa ter uma temperatura abaixo do zero absoluto?

temp

Pensando na física clássica essa ideia não faz sentido, mas quando estamos falando de sistemas quânticos a definição clássica de temperatura também não faz sentido.  A definição de temperatura passa a levar em conta a distribuição da energia das partículas do gás, o que determina sua entropia. A entropia é um conceito que tem a ver com a ‘desordem’ de um sistema e uma lei fundamental da termodinâmica diz que ela sempre aumenta. Por exemplo, você está bêbado, quebra uma garrafa, o chão fica todo sujo e com cacos de vidro.  A não ser que seja efeito da bebida, a garrafa não vai espontaneamente voltar ao que era antes. Isso diz que o aumento da entropia determina o fluxo de acontecimentos.

Para temperaturas baixas usamos a definição de temperatura dada em termos da variação da energia com a variação da entropia. Então, uma temperatura negativa pode ser atingida quando a variação de energia é positiva (todas as partículas estão em um estado de maior energia) e a entropia diminui (só tem um estado com energia máxima).

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Agora, fisicamente temos a seguinte situação para obtermos temperaturas negativas. Podemos pensar em um gás de bósons (partículas que podem ocupar o mesmo estado quântico), onde as partículas são as bolinhas (desculpa) e as linhas são os níveis de energia (você pode pensar como órbitas do átomo de hidrogênio, por exemplo). Em um sistema sem energia máxima, você pode ir adicionando energia e as partículas vão se espalhando entre os níveis (indo cada vez para os mais altos), o que representa uma situação em que a temperatura aumenta. Agora, em um sistema com uma energia máxima fixa, conforme você acrescenta energia, as partículas tendem a ficar juntinhas (diminuindo a entropia) no estado de energia máxima, o que representa a temperatura negativa, pela definição que demos.

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O importante é salientar que a temperatura negativa é uma coisa formal, porque um estado com temperatura negativa sempre tem muito mais energia que um com temperatura positiva (qualquer) e portanto sempre cede calor ao último. Assim temperatura negativa é muito, muito, mas muito quente. Outro ponto a se notar é que as temperaturas negativas são alcançados através de uma transição brusca,  e não passando pelo zero absoluto (que continua sendo inatingível).

Agora, o que foi feito?

Um grupo de físicos liderados por Ulrich Schneider, na Universidade Ludwig Maximilian, atingiram temperaturas negativas com átomos de potássio aprisionados em um campo magnético. O truque é fazer o campo magnético de forma a limitar a disposição dos átomos e assim quando eles ganham energia não têm muitas opções de arranjo de átomos de modo a criar as tais temperaturas negativas. O grande impacto não é fazer a temperatura negativa, o que já tinha sido feito com outros sistemas, mas sim fazê-lo limitando a disposição espacial dos átomos.

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