Hottest temperature ever measured is a negative one

Coaxing a gas to a negative temperature on the kelvin scale has produced, paradoxically, the hottest temperature ever measured. The study, published in the Jan. 4 Science, will help physicists learn about quantum phenomena and perhaps even the strange form of energy that dominates the universe. A negative kelvin temperature indicates that particles at high energies outnumber those at low energies.

“We are used to positive temperatures,” says Achim Rosch, a physicist at the University of Cologne in Germany who was not involved in the research. “But there’s nothing forbidden about negative temperatures. It’s always fascinating to do something unusual.” Temperature is commonly interpreted as a measure of the average energy of the particles in a sample. Each of the molecules buzzing around in a pot of boiling water, for example, has more energy on average than a sluggish water molecule within an ice cube.

But for scientists who study matter at quantum scales, temperature is better defined as the energy distribution of the particles in a sample. Just above absolute zero (0 kelvin, or -273° Celsius), almost all of the particles within a sample have energies very close to zero, with little variation. But as temperatures rise, the variation in energies widens — some particles still have very small energies, but others have more.

Physicist Ulrich Schneider at the Ludwig Maximilians University of Munich set out to do something unusual: He wanted to cajole the particles within a substance to be confined to a very high amount of energy. In other words, instead of having the particles start at a minimum energy (corresponding to absolute zero) and spreading out toward higher energies, he wanted to start at a maximum energy and spread toward lower energies. By definition, such a substance would have a negative kelvin temperature.

His team achieved that with potassium atoms chilled to a few billionths kelvin above absolute zero. Through the use of lasers and magnets, the team managed to get the atoms to jump to a high-energy state. By creating a cluster of particles exclusively at high energies, Schneider and his colleagues had a gas at a few billionths negative kelvin.  This temperature is technically not below absolute zero, because negative on the kelvin scale(unlike that on the Fahrenheit or Celsius scale) is a construct that simply indicates something about the energy state of the particles involved. In fact, the new creation is extremely hot because of the high energies of the particles. Heat travels from hot to cold, Schneider says, and heat will always flow away from this gas. “It’s actually hotter than everything we know,” he says.

Despite the semantics involved, this experiment isn’t merely a fun physics trick. Scientists are fascinated by negative-temperature substances because they have other strange properties. The molecules in a typical gas spread out and exert a force on the walls of their container. But a negative-temperature gas also has negative pressure, meaning the particles tend to cave in rather than expand. “It wants to collapse into a single point,” Schneider says. Negative pressure may be important in another part of the physics universe: Cosmologists believe that dark energy, the mysterious entity that is causing the universe to expand at an accelerating rate, also has negative pressure. Schneider suggests that experimenting with the quantum phenomenon of negative temperature could reveal the nature of dark energy throughout the cosmos.

لینک منبع

نقشه‌برداری از جنبش‌های الکترونی

کافی است به یک تکه فلز مثل نقره یا مس، نور بتابانید تا الکترون‌هایش برانگیخته شوند. این برانگیختگی، موجب دگرگونی میدان‌های الکترومغناطیسی پیرامون الکترون‌ها می‌شود و بدین‌واسطه، ویژگی‌هایی که پای فلزاتی نظیر مس را به علت رسانایی بالای آن به جهان فناوری کشانده است، خودنمایی می‌کنند.

تلاش‌هایی که در سالیان اخیر با هدف رصد الکترون‌ها صورت گرفته است، به لطف تولید لیزرهای چشمک‌زنِ فوق سریع، کم‌دردسرتر شده‌اند؛ آن‌هم با وجود قوانین سخت‌گیرانه مکانیک کوانتومی که در آن مقیاس‌ها بر این ذرات حکمرانی می‌کنند. براساس معادلات و توابع موج کوانتومی، یک ناظر هرگز نمی‌‌تواند سرعت و مکان دقیق یک الکترون را در آنِ واحد تعیین کند. این مسئله نه‌تنها راجع به سرعت و مکان که بسیاری از دیگر مختصات الکترون هم صدق می‌کند. از این گذشته، تشخیص یک الکترون به‌محض رهاسازی انرژی، فوق‌العاده ساده‌تر از زمانی است که مقدار انرژی مشخصی را جذب می‌کند. با این‌همه، درک بهتر وقایعی که در لحظه برانگیختگی یک الکترون با تحریک پرتوی نور اتفاق می‌افتد، کمک شایان توجهی به صنعت تولید سلول‌های نوری یا طراحی بهینه‌تر سامانه‌های فوتوالکتریکی، از قبیل پردازنده‌های پیشرفته رایانه‌ای خواهد کرد.
 
حال، گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا، موفق به رصد فعالیت‌های الکترون و ترسیم نقشه‌هایی شده‌اند که نحوه پخش انرژی الکترون‌های برانگیخته بر سطح فلزات نقره و مس را در طول زمان نشان می‌‌دهند. این دانشمندان، به کمک میکروسکوپ الکترونی، اشعه چشمک‌زن لیزر را به مدت تنها یک فمتوثانیه (یعنی یک‌میلیونیم از یک‌میلیاردیم یک ثانیه)، بر نانوذره‌ای از جنس نقره که به یک لایه گرافین تکیه داده شده بود، متمرکز کردند. بعد از آن بود که جذب یا دفع انرژی لیزر توسط الکترون‌ها، با توجه به تأخیر فوق‌العاده کوتاه مابین زمان شلیک هر چشمک لیزری و زمان دریافت واکنشی مشابه از سمت یک الکترون، محاسبه می‌شد. دانشمندان به این روش اصطلاحاً "طیف‌نگاری فوق سریع" می‌گویند که در واقع با زبان معمولی نمی‌شود گفت که چقدر این فرآیند سریع رخ می‌دهد.
 
قرار است از طریق این روش، محل جذب و دفع انرژی توسط الکترون‌های متعلق به یک عنصر شیمیایی، نقشه‌برداری شود. این نقشه به تعیین مکان احتمالی الکترون‌های برانگیخته (و حتی مقدار انرژی جذب یا دفع‌شده) کمک خواهد کرد. هرچند اطلاعی از سایر مختصات آن ذره به دست نخواهد داد (و به همین واسطه از اصل عدم قطعیت هایزنبریگ هم تخطی نخواهد کرد). پس این پژوهش مثلاً مشخص می‌کند که یک نانوذره نقره، در ضلع سمت چپ و در گوشه پایین سمت راست‌اش، بیشترین انرژی را دریافت کرده است (چون ضخامت و ابعاد گوشه‌های ذره، کوچک‌تر از طول موج نور فرودی است، اطلاعاتی دقیق‌تر از این را نمی‌توان به دست آورد). در آینده ممکن است این روش، امکان تماشای واکنش مولکول‌ها، تعیین خواص ذرات و در نهایت پی‌گیری فرآیندهای درونی یک سلول زنده را هم فراهم کند.
 
 
 
ترجمه از: احسان سنایی

دماسنجی از مولکول‌ها

می‌شود لامپ روشنی را لمس کرد و گرمی‌اش را فهمید؛ اما طبعاً نمی‌توان این روش را برای یک مولکول منفرد به کار بست و نتیجه‌ای مشابه گرفت. پژوهش‌گران دانشگاه رایس ایالات متحده مدعی‌اند که راهی را برای تعیین دمای یک مولکول، یا الکترون‌ آزاد با یاری روش «طیف‌سنجی رامان»؛ به کمک یک آنتن نوری یافته‌اند.

مقاله‌ای جدید از سوی آزمایشگاه پروفسور «داگلاس نتلسون» (Douglas Natelson)؛ استاد فیزیک و ستاره‌شناسی دانشگاه رایس، به شرح جزئیات روشی می‌پردازد که با یاری‌اش می‌توان دمای یک مولکولِ ثابت‌شده مابین دو نانوسیم از جنس طلا را که یا از طریق رسانش این سیم‌ها؛ و یا تابش لیزر گرم شده را محاسبه کرد. این مقاله در نسخه‌ی این هفته‌ی ویرایش الکترونیکی نشریه‌ی علمی Nature Nanotechnology به چاپ رسیده است.

نتلسون، به‌همراه دستیارش «دن وارد» (Dan Ward) که دانشجوی فوق‌دکترای پژوهشی‌ست، و نیز همکاران‌شان دریافتند که هرچند تعیین دما در مقیاس‌های نانو، به‌مراتب می‌تواند پیچیده‌تر از دماسنجی از اجسام بزرگ‌تر باشد؛ اما می‌توان آن را تا ترازی از دقت انجام داد؛ آنچنان‌که مورد توجه جامعه‌ی مهندسین الکترونیک مولکولی یا هرکس که خواهان دانستن نحوه‌ی کارکرد گرمازایی و یا گرماگیری یک جسم در مقیاس‌های شدیداً ریز است؛ قرار گیرد. نتلسون می‌گوید: «وقتی‌که قصد تولید ابزارآلات کوچک الکترونیکی یا انشعابات ریز را دارید؛ بایستی‌که نگران از نحوه‌ی آزادسازی نهایی انرژی الکتریکی به‌شکل گرما هم باشید. در مورد اجسام ماکروسکوپیک همچون رشته‌ی گدازان لامپ حبابی، می‌توان دماسنجی را به آن‌ها متصل نمود و به دما پی برد. اگر به طیف نوری که از آن خارج می‌شود بنگرید هم قادر به تعیین دما خواهید بود».

این، نسخه‌ی ساده‌شده‌ی همان چیزی‌ست که نتلسون و وارد مشغول به انجام آن‌اند. هیچکس قادر به تماشای درخشش یک مولکول نیست. با این حال، پژوهش‌گران قادرند که نور را به‌عنوان شاخص، روانه‌ی مولکول مزبور نمایند و طول موج نور بازتاب‌شده را که تحت تأثیر گرمای احتمالی مولکول قرار گرفته، اندازه‌گیری کنند. نتلسون در ادامه می‌افزاید: «در روش "پراکندگی رامان"، شما پرتو نوری که با هدف‌تان برهمکنش خواهد داشت را به طرف‌اش ارسال می‌کنید. وقتی‌که بازگردد؛ انرژی‌اش یا بیشتر از آن حالتی‌ست که فرستاده بودیدش؛ یا کمتر، و ما می‌توانیم دمای مؤثر آن جسمی که نور را متفرق کرده، تعیین کنیم».

این پژوهش جدید، در امتداد مقاله‌ای منتشرشده در ماه سپتامبر سال جاری پیرامون موفقیت این آزمایشگاه در تولید نانوآنتن‌هایی که نور را تا یک‌هزار برابر تمرکز داده و تقویت می‌کنند؛ انجام پذیرفته است. تمرکز آن مقاله بیشتر بر شدت نور لیزر تابیده‌شده در شکافی مابین لبه‌های دو نانوسیم طلایی، معطوف شده بود. این‌بار و در این پژوهش، نتلسون و وارد اقدام به پراکنش مولکول‌‌ها بر سطح یک نانوسیم طلایی نموده و پس از آن سیم را شکسته؛ و اینچنین شکافی نانومتری را به‌وجود آوردند.

وقتی‌که پژوهش‌گران به‌اندازه‌ی کافی در جای‌گیریِ مناسب مولکول‌ها در این شکاف، شانس آوردند (به‌تعبیر نتلسون، بهترین لحظه زمانی‌ست که سیم‌های فلزی از محل شکاف در نزدیک‌ترین حالت‌شان نسبت به هم قرار گرفته‌اند – آنان جریان را به سیم‌ها تزریق کرده و طیف منتشره را بررسی نمودند. این آزمایشات، در محیط خلأ و دمای ۸۰ کلوین (۱۹۳- درجه‌ی سلسیوس) انجام می‌پذیرفت. پژوهش‌گران بلافاصله متوجه شدند که قادرند نوسانات دمایی مولکول‌ها را تا حتی ۲۰ درجه، به‌سهولت اندازه‌گیری کنند.

در خصوص مقیاس‌های بزرگتر با این حال، نتلسون می‌گوید: «معمولاً به چیزی می‌نگرید که اساساً سرد است. نور را روانه‌اش می‌کنید؛ و این نور در برخورد با جسمی که به آن می‌نگرید، اندکی بی‌رمق می‌شود و با انرژی کمتری نسبت به حالت اول، برمی‌گردد. با یاری روش "پراکندگی رامان"، می‌توانید عملاً حالات ارتعاشی خاص ِ هر مولکولی را مشاهده کنید». اما اگر اتم‌ها، خود همراه با انرژی اولیه‌ای در حال ارتعاش بوده باشند؛ برعکس این قضیه رخ می‌دهد. وی در ادامه می‌افزاید: «نور [ارسالی] می‌تواند کمی [از این انرژی] را بگیرد و در وضعیتی پرانرژی‌تر از اول، بازگردد». این اثر، هنگامی‌که جریانی در نانوسیم‌ها وجود داشته باشد؛ از هر حالتی چشمگیرتر خواهد بود. «مادامی‌که ما جریان را به محل انشعاب تزریق می‌کنیم؛ می‌توانیم این ارتعاشات گوناگون را بیشتر و بیشتر [از پیش] مشاهده کنیم. می‌توانیم که افزایش دمای جسم را هم مشاهده کنیم».

نتلسون، که در سال ۲۰۰۸ از سوی نشریه‌ی Discover به‌عنوان یکی از ۲۰ دانشمند برتر زیر چهل‌ساله‌ی ایالات متحده انتخاب شده بود؛ می‌گوید که این آزمایشات، نه‌تنها نحوه‌ی گرم شدن مولکول‌های گیرافتاده در شکاف مابین نانوسیم‌ها؛ بلکه فعال‌وانفعالات این مولکول‌ها با سیم‌های فلزی را هم نشان‌ داد. او می‌گوید: «ارتعاشات، به‌شکل قله‌های تیزی در طیف نمودار می‌شوند و انرژی‌شان کاملاً مشخص است. با این‌همه، نور عملاً با الکترون‌های موجود در فلز؛ که سیم‌های فلزی حقیقی نیز همین‌ها می‌باشند برهم‌کنش دارد».

نتلسون، کسب مستقیم اطلاعات درخصوص نحوه‌ی گرمایش و اتلاف گرما در مقیاس نانو را شدیداً دشوار توصیف می‌کند و می‌گوید: «به‌طور کلی نمی‌توان چنین کاری کرد. مدل‌سازی‌های فراوانی صورت پذیرفته؛ اما با ضوابطِ مربوط به تجربیاتی که به یاری‌شان می‌توان چنین محاسباتی را صورت داد؛ همه‌چیز غیرمستقیم است. این [پژوهش اما] یک استثناست. چیز ویژه‌ای‌ست. شما قادرید آنچه را که رخ می‌دهد [از نزدیک] ببینید. ما در آزمایشات خیالی‌مان به خودمان می‌گفتیم: "هی پسر؛ ای کاش می‌توانستم با یک دماسنج [به‌سمت مولکول] بروم" و یا "ای کاش می‌توانستم هر مولکولی را ببینم و میزان ارتعاشش را از نظر بگذرانم. و عملاً این‌ها همان کارهایی‌ست که ما هم‌اکنون می‌کنیم. ما حقیقتاً افزایش دمای این چیزها (مولکول‌ها) را مشاهده می‌کنیم».

لینک مقاله