La température peut-elle descendre en dessous du zéro absolu ? Que se passe-t-il alors ? Est-ce qu’elle ressort à l’autre bout du thermomètre comme Pac-Man et devient infiniment chaude ? Eh bien, en quelque sorte, et le concept apparemment farfelu est en fait étonnamment commun en physique.
Un article récent publié dans Physical Review Letters décrit un système où la température négative est utilisée pour expliquer un phénomène bizarre mais réel dans notre monde physique.
Les scientifiques décrivent un système physique qui est à la fois en dessous du « zéro absolu » et au-dessus du « chaud absolu » en même temps.
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Mais avant de pouvoir comprendre comment les températures peuvent être renversées, vous devrez réapprendre la signification de la température.
Une température négative est plus chaude que chaude
La plupart des gens ont probablement appris à l’école que la température est essentiellement juste une mesure de la vigueur avec laquelle les particules dans un système s’agitent : Une température élevée signifie beaucoup d’agitation, et le zéro absolu signifie absolument aucune agitation. Bien que cette interprétation puisse fonctionner pour comprendre la température de votre four, ce n’est pas toute la question.
Pour commencer, la température n’est pas simplement l’énergie moyenne de toutes les particules d’un système. Elle est en fait liée à la distribution de ces énergies. Imaginez les particules comme des briques dans un bâtiment, la hauteur de chaque brique reflétant l’énergie de chaque particule. À basse température, l’édifice ressemble à une pyramide courte et grosse à la base. À des températures plus élevées, la pyramide devient plus haute et plus mince. Cette tendance se poursuit au fur et à mesure que la température augmente, jusqu’à ce qu’on appelle la température « haute absolue », où la pyramide se transforme en une seule colonne, s’étendant du sol à l’infini vers le ciel. C’est là que les choses commencent à devenir bizarres.
Si vous parvenez à pousser le système un cran au-delà de la « haute absolue », la forme de la pyramide réapparaît soudainement, mais cette fois-ci elle est inversée – chaque couche contient maintenant plus de briques que celle qui se trouve en dessous, avec une infinité de briques au sommet infiniment haut. Voici la partie encore plus étrange – lorsque cela se produit, la « température » dans l’équation décrivant la forme de cette « pyramide » devient en fait négative.
Une pyramide renversée en expansion constante et infiniment haute peut sembler trop ridicule pour même y penser. Idem pour une température négative qui est en quelque sorte plus chaude que l’infini. Mais si nous cessons de penser aux énergies des particules comme à des énergies cinétiques illimitées, la température négative est en fait un paramètre très réel qui peut être utilisé pour décrire la distribution d’autres types d’énergies à l’intérieur d’un système physique.
« Ce n’est pas nécessairement la température au sens classique – il y a une distinction entre les différentes façons dont la température est utilisée pour mesurer les propriétés d’un système », a déclaré Stefan Hilbert, un physicien de l’Université Ludwig Maximilian de Munich en Allemagne qui n’a pas participé à l’article. « Par exemple, vous pouvez avoir un système avec cette soi-disant « inversion de population » – où il y a plus de parties du système dans un état excité que dans un état de plus faible énergie »
En d’autres termes, les systèmes physiques qui limitent en quelque sorte la « pyramide » à un nombre fini de niveaux peuvent en fait être inversés. Pour voir ce mécanisme à l’œuvre, il suffit de regarder l’ordinaire pointeur laser.
Applications dans le monde réel d’un concept hors du monde
Chaque fois que vous cliquez sur un pointeur laser, vous exploitez la magie de « l’inversion de population ». Les atomes sont « pompés » d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau d’énergie supérieur, puis ils retombent, émettant de la lumière dans le processus.
Aujourd’hui, les scientifiques trouvent des moyens de manipuler d’autres systèmes physiques excitables. Le spin – l’entité qui détermine les propriétés magnétiques d’un atome – est l’un des sujets les plus chauds de la recherche sur la température négative.
« Avant les lasers, les gens pensaient que si vous avez un tas de spins, vous ne pouvez pas exciter plus de la moitié d’entre eux parce que c’est l’état le plus chaud possible », a déclaré Kae Nemoto, un chercheur de l’Institut national de l’informatique à Tokyo et un auteur de l’article.
Mais les scientifiques ont depuis montré que ce n’est pas vrai. Dans leur article, Nemoto et ses collègues décrivent une manière spécifique de configurer un système de spin de telle sorte qu’une partie de sa population préfère en fait être aussi inversée que possible. En d’autres termes, contrairement aux lasers, où il faut constamment « pomper » les atomes vers le niveau supérieur, certaines parties de leur système de spin s’écoulent en fait naturellement vers le haut.
« , il y a une inversion de population, mais ce n’est pas vraiment un état stable. Vous pouvez peupler l’état excité, mais les atomes ne vont pas y rester pendant très, très longtemps », a déclaré William Munro, un chercheur de la Nippon Telegraph and Telephone Corporation et un autre auteur de l’article.
Nemoto, Munro, et leur collègue Yusuke Hama du Centre RIKEN pour la science de la matière émergente à Saitama, au Japon, ont découvert que s’il y a deux poches distinctes d’atomes avec des spins partageant un réservoir avec une température fixe, les deux poches n’atteignent pas nécessairement un équilibre à la fin.
Lorsque les deux poches sont de taille égale, même si l’une a commencé avec tous les spins dans l’état supérieur, et l’autre tous dans l’état inférieur, au fil du temps, les deux poches finissent par se retrouver au milieu, avec la moitié des spins dans l’état supérieur, et la moitié dans l’état inférieur.
Mais quelque chose de particulier se produit lorsque les deux poches sont de tailles différentes. Par exemple, si la poche A contient plus de spins que la poche B, alors que tous les spins de la poche A sont dans l’état supérieur et que tous les spins de la poche B sont dans l’état inférieur, les deux ne se détendent pas tous les deux vers l’état le plus bas possible comme celui d’un laser. Au contraire, tous les spins de la poche B se dirigeraient vers l’état supérieur. En d’autres termes, la poche B préfère en fait être dans l’état le plus inversé possible. Cette révélation peut guider les efforts futurs pour manipuler les systèmes magnétiques qui sont omniprésents dans les applications modernes.
« L’idée de températures négatives est importante pour interpréter les résultats expérimentaux de nombreux systèmes physiques, en particulier pour ces systèmes de spin », a déclaré Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News.
