Physik: Heißkalt erwischt

Dieser Winter hatte bisher nur wenige Tage unter null Grad zu bieten. Spektakulärer, was negative Temperaturen angeht, sind aktuelle Experimente von Münchner Forschern. Wie sie im Fachjournal „Science“ berichten, haben sie Kaliumatome in einen Zustand versetzt, der jenseits des absoluten Nullpunkts liegt, der mit null Kelvin festgelegt ist.

Die gebräuchliche Celsiusskala ist so geeicht, dass ihr Nullpunkt dem Übergang von Eis zu Wasser bei Normalbedingungen entspricht. Nach oben ist sie offen: Heißer geht immer. Nach unten stößt sie allerdings irgendwann auf eine feste Grenze, den absoluten Nullpunkt. Die Temperatur eines Körpers gibt an, wie viel Bewegungsenergie seine Atome im Durchschnitt haben. Wird ein Körper kälter, nimmt die Bewegung der Atome ab, bis am absoluten Nullpunkt völliger Stillstand herrscht. Kälter als minus 273,15 Grad Celsius kann nichts werden. Physiker rechnen deshalb mit der Kelvinskala, die an diesem Nullpunkt beginnt und nur positive Werte kennt. Mit aufwendigen Experimenten kommen Physiker diesem Punkt bis auf rund ein Milliardstel Grad nahe.

Wissenschaftlern der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik ist es jetzt gelungen, einen speziellen Zustand von Kaliumatomen herzustellen, der scheinbar unmöglich ist, weil er negativen Temperaturen entspricht. Da nichts kälter sein kann als völlig bewegungslos eingefrorene Atome, erklärt Mitautor Ulrich Schneider, wie die negativen Temperaturen zustande kommen: „Sie sind nicht kälter als die positiven Temperaturen, sondern umgekehrt: Sie sind sogar heißer als alle positiven Temperaturen!“

Dieser absonderliche Zusammenhang liegt an der Definition der Temperatur. Laut der Thermodynamik entspricht eine Temperatur einer bestimmten Energieverteilung. Wird ein Körper heißer, steigt die Unordnung der Atome und auch ihre mittlere Energie. Die meisten Atome besitzen eine Bewegungsenergie in der Nähe dieses Durchschnittswertes, und nur wenige Atome haben eine sehr hohe Energie.

Bei negativen Temperaturen ist diese Verteilung auf den Kopf gestellt. Mathematisch gesehen sind Temperaturen unter dem absoluten Nullpunkt dadurch definiert, dass die höchsten Energien am häufigsten auftreten und die kleineren viel seltener. Formal sind die negativen Temperaturen deshalb heißer als die positiven, auch wenn die absoluten Energien sehr klein sind. „Die Temperaturskala hört bei unendlich einfach noch nicht auf, sondern springt zu negativen Werten“, erläutert Schneider.

Erreicht haben er und seine Kollegen die sonderbare Umkehrung der üblichen Verhältnisse durch eine trickreiche Manipulation von Kaliumatomen. Auf tiefste Temperaturen heruntergekühlt sperrten sie diese in einem Vakuum in eine optische Falle. Mit Laserstrahlen und Magnetfeldern konnten sie die Atome dann in ein optisches Gitter zwängen und ihnen dabei eine obere Energiegrenze vorgeben. Durch geschicktes Umschalten der äußeren Felder lösten die Physiker einen Quanten-Phasenübergang aus, bei dem die Atome sich an der oberen Energiegrenze sammelten. Dadurch entsprachen sie der Definition für negative Temperaturen.

Mit über einer halben Sekunde Lebenszeit waren diese Zustände relativ lange stabil. Bemerkenswert ist, dass sich mit zunehmender Energie die Atome an der oberen Energiegrenze sammeln und somit die Ordnung im System steigt. Bei normalen, positiven Temperaturen hingegen geschieht genau das Gegenteil. Dort nimmt die Unordnung zu, wie beispielsweise an einer Schneeflocke zu sehen ist: Bei Frost sind die Wassermoleküle in den typischen sechseckigen Kristallen angeordnet; wenn es taut, verschwindet diese Struktur und es ist einfach nur nass.