Temperaturi negative

(Scara universală SI de temperatură/răceală (1/kT))

La temperaturi scăzute, particulele au tendința de a trece la cele mai mici stări de energie. Pe măsură ce crește temperatura, particulele se mută în stări energetice din ce în ce mai înalte. Când temperatura tinde la infinit, numărul de particule în stările mai mici de energie și din stările mai mari de energie devin egale. În anumite situații, este posibil să se creeze un sistem în care există mai multe particule din stările cu energie mai mare decât mică. Această situație poate fi descrisă cu o temperatură negativă. O temperatură negativă nu este mai rece decât zero absolut, ci mai degrabă este mai caldă decât temperatura infinită.

Căldura este stocată în diverse moduri pentru un sistem: translație, vibrație, rotație, electronic, și nuclear. Temperatura macroscopică a unui sistem este legată de căldura totală depozitată în toate aceste moduri și într-un sistem de energie termică normală este în permanență schimbată între diferitele moduri. Cu toate acestea, pentru anumite cazuri, este posibil să se izoleze una sau mai multe dintre moduri. În practică modurile izolate încă schimba energie cu celelalte moduri, dar scara de timp a acestui schimb este mult mai lentă decât în cazul schimburilor din modul izolat. Un exemplu este cazul spinilor nucleari într-un câmp magnetic extern puternic. În acest caz, energia curge destul de rapid între stările de spin ale atomilor care interacționează, dar transferul de energie între spinii nucleari și alte moduri este relativ lent. Având în vedere că fluxul de energie este predominant în cadrul sistemului de spini, este logic să se gândească la o temperatură de spin, care este diferită de la temperatura datorată altor moduri.

O temperatură pozitivă corespunde condiției în care entropia crește când energia termică este adăugată sistemului. Aceasta este starea normală în lumea macroscopică și este întotdeauna cazul pentru  modurile de translaţie, vibraţie, rotaţie, şi electronic şi nuclear non-spin. Motivul pentru aceasta este faptul că există un număr infinit de aceste tipuri de moduri și adăugarea de mai multă căldură la sistem mărește numărul de moduri care sunt accesibile energic, și astfel creşte entropia. Cu toate acestea, în cazul sistemelor de spin electronic și nuclear există doar un număr finit de moduri disponibile (de multe ori doar 2, corespunzător spinului up şi spinului down). În absența unui câmp magnetic, aceste stări de spin sunt degenerate, ceea ce înseamnă că acestea corespund aceleiași energii. Atunci când se aplică un câmp magnetic exterior, nivelurile de energie sunt împărțite, deoarece aceste stari de spin care sunt aliniate cu câmpul magnetic vor avea o energie diferită de cele care sunt anti-paralele cu acesta.

În absența unui câmp magnetic, ar fi de așteptat ca un astfel de sistemcu doi spini să aibă aproximativ jumătate din atomi în starea de spin up și jumătate în starea de spin down, deoarece aceasta maximizează entropia. La aplicarea unui câmp magnetic, unii dintre atomi vor avea tendința să se alinieze pentru a reduce energia sistemului, astfel ceva mai mulți atomi se vor găsi în starea de energie mai mică (pentru acest exemplu vom presupune că starea de spin down este starea de energie mai mică). Este posibil să se adauge energie sistemului de spin prin tehnici de frecvență radio. Acest lucru face ca atomii să se schimbe de la spin down la spin up. Din moment ce am început cu mai mult de jumătate din atomi în starea de spin down, inițial aceasta conduce sistemul la un mix de 50/50, astfel entropia este în creștere, ceea ce corespunde unei temperaturi pozitive. Cu toate acestea, la un moment dat mai mult de jumătate din spini sunt în starea de spin up. În acest caz, adăugarea de energie suplimentară reduce entropia deoarece face ca sistemul să aibă un amestec diferit de 50/50. Această reducere a entropiei cu un adaos de energie corespunde unei temperaturi negative.