¿Puede la temperatura caer por debajo del cero absoluto? ¿Qué ocurre entonces? ¿Aparece en el otro extremo del termómetro como Pac-Man y se vuelve infinitamente caliente? Bueno, algo así, y el concepto aparentemente descabellado es en realidad sorprendentemente común en la física.
Un reciente artículo publicado en Physical Review Letters describe un sistema en el que la temperatura negativa se utiliza para explicar un fenómeno extraño pero real en nuestro mundo físico.
Los científicos describen un sistema físico que está por debajo del «cero absoluto» y por encima del «calor absoluto» al mismo tiempo.
Image Credit: Myriams-Fotos via (CC 0)
Pero antes de que puedas entender cómo las temperaturas pueden invertirse, tendrás que volver a aprender el significado de la temperatura.
Temperatura negativa es más caliente que caliente
La mayoría de la gente probablemente aprendió en la escuela que la temperatura es básicamente sólo una medida de cómo se agitan vigorosamente las partículas en un sistema: Una temperatura alta significa mucha agitación, y el cero absoluto significa absolutamente ninguna agitación. Aunque esta interpretación puede servir para entender la temperatura de su horno, no es la imagen completa.
Para empezar, la temperatura no es simplemente la energía media de todas las partículas de un sistema. En realidad está relacionada con la distribución de esas energías. Imagina las partículas como ladrillos en un edificio, con la altura de cada ladrillo reflejando la energía de cada partícula. A bajas temperaturas, el edificio se parece a una pirámide que es corta y gorda en la parte inferior. A temperaturas más altas, la pirámide se hace más alta y más delgada. Esta tendencia se mantiene a medida que aumenta la temperatura, hasta lo que se conoce como la temperatura «alta absoluta», en la que la pirámide se transforma en una sola columna, que se extiende desde el suelo hasta el cielo. Aquí es donde las cosas empiezan a ponerse raras.
Si de alguna manera se puede empujar el sistema un paso más allá del «máximo absoluto», la forma de la pirámide vuelve a aparecer de repente, pero esta vez está invertida: cada capa contiene ahora más ladrillos que la que está debajo, con infinitos ladrillos en la parte superior infinitamente alta. Cuando esto ocurre, la «temperatura» en la ecuación que describe la forma de esta «pirámide» se vuelve negativa.
Una pirámide invertida infinitamente alta y en constante expansión puede parecer demasiado ridícula. Lo mismo ocurre con una temperatura negativa que de alguna manera es más caliente que el infinito. Pero si dejamos de pensar en las energías de las partículas como energías cinéticas ilimitadas, la temperatura negativa es en realidad un parámetro muy real que puede utilizarse para describir la distribución de otros tipos de energías dentro de un sistema físico.
«No se trata necesariamente de la temperatura en el sentido clásico; hay una distinción entre las diferentes formas en que se utiliza la temperatura para medir las propiedades de un sistema», dijo Stefan Hilbert, físico de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich (Alemania) que no participó en el trabajo. «Por ejemplo, se puede tener un sistema con la llamada ‘inversión de la población’, en la que hay más partes del sistema en un estado excitado que en un estado de menor energía».
En otras palabras, los sistemas físicos que de alguna manera limitan la «pirámide» a un número finito de niveles pueden estar realmente invertidos. Para ver este mecanismo en funcionamiento, basta con mirar el sencillo puntero láser.
Aplicaciones del mundo real para un concepto fuera de este mundo
Cada vez que se pulsa un puntero láser, se aprovecha la magia de la «inversión de la población». Los átomos son «bombeados» desde un nivel de energía inferior a otro superior, y luego vuelven a caer, emitiendo luz en el proceso.
Hoy en día, los científicos están encontrando formas de manipular otros sistemas físicos excitables. El espín -la entidad que determina las propiedades magnéticas de un átomo- es uno de los temas más candentes en la investigación de la temperatura negativa.
«Antes de los láseres, la gente pensaba que si tienes un montón de espines no puedes excitar más de la mitad de ellos porque ese es el estado más caliente posible», dijo Kae Nemoto, investigadora del Instituto Nacional de Informática de Tokio y autora del artículo.
Pero los científicos han demostrado desde entonces que eso no es cierto. En su artículo, Nemoto y sus colegas describen una forma específica de configurar un sistema de espín de manera que una parte de su población prefiera estar lo más invertida posible. En otras palabras, a diferencia de los láseres, en los que hay que «bombear» constantemente átomos hacia el nivel superior, partes de su sistema de espín realmente fluyen hacia arriba de forma natural.
«, hay una inversión de la población, pero no es realmente un estado estable. Se puede poblar el estado de excitación, pero los átomos no van a permanecer allí durante mucho, mucho tiempo», afirma William Munro, investigador de la Nippon Telegraph and Telephone Corporation y otro de los autores del trabajo.
Nemoto, Munro y su colega Yusuke Hama, del Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente en Saitama (Japón), descubrieron que si hay dos bolsas separadas de átomos con espines que comparten un depósito con una temperatura fija, las dos bolsas no necesariamente alcanzan un equilibrio al final.
Cuando las dos bolsas son iguales en tamaño, incluso cuando una comenzó con todos los espines en el estado superior, y la otra todos en el estado inferior, con el tiempo, ambas bolsas terminan en el medio, con la mitad de los espines en el estado superior, y la mitad en el inferior.
Pero algo peculiar ocurre cuando las dos bolsas son de diferente tamaño. Por ejemplo, si la bolsa A contiene más espines que la bolsa B, mientras que todos los espines de la bolsa A están en el estado superior y todos los espines de la bolsa B están en el estado inferior, entonces las dos no se relajan hacia el estado más bajo posible como el de un láser. En cambio, todos los espines de la bolsa B fluirían hacia el estado superior. En otras palabras, la bolsa B prefiere estar en el estado más invertido posible. Esta revelación puede guiar los esfuerzos futuros para manipular los sistemas magnéticos que son omnipresentes en las aplicaciones modernas.
«La idea de las temperaturas negativas es importante para interpretar los resultados experimentales de muchos sistemas físicos, especialmente para estos sistemas de espín», dijo Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
