'Negativ temperatur' termodynamik observeres i en fotongas

Forskere i Tyskland og USA har skabt fotongasser, der kan eksistere ved "negative temperaturer", mens de gennemgår grundlæggende termodynamiske processer - herunder ekspansion og kompression. Forskningen kan føre til udvikling af nye optiske teknologier, herunder teknologier til datatransmission.

Når en gas afkøles til meget lave temperaturer, vil dens partikler optage de lavest tilgængelige energitilstande i systemet. Efterhånden som gassen bliver varmere, vil nogle partikler optage højere energitilstande. Denne besættelse kan udføres på en række forskellige måder, og denne mangfoldighed er karakteriseret ved en stigende entropi.

Normalt er der ingen grænse for antallet af energitilstande, som partiklerne kan få adgang til, og entropien i et system kan fortsætte med at stige, efterhånden som systemet bliver varmere. Men hvis der er en grænse for antallet af energitilstande, så vil entropien ikke stige, efterhånden som der lægges mere energi ind i systemet. Faktisk vil entropien falde, fordi partiklerne bliver pakket ind i de højeste energitilstande. Et sådant system ligner et lavtemperatursystem, hvor alle partiklerne er pakket ind i de laveste energitilstande.

Faldende entropi

I 1949 introducerede Lars Onsager begrebet "negativ temperatur" for at beskrive det termodynamiske forhold mellem entropi og energi i et sådant system. Når den negative temperatur stiger til nul nedefra, øges systemets energi, og entropien falder.

"Negative temperaturer er eksperimentelt blevet demonstreret i platforme som spin-systemer, kolde atom-gitre og senest vortex-klynger i 2D-kvantesystemer," forklarer Demetri Christodoulides ved University of Central Florida. "Men realiseringen af ​​grundlæggende termodynamiske processer i det negative temperaturregime er endnu ikke blevet opnået."

I en ny undersøgelse, Christodoulides sammen med Ulf Peschel ved Friedrich Schiller University Jena og kolleger, udforsket en ny eksperimentel tilgang til negative temperaturer. Dette involverede udnyttelse af ikke-lineære interaktioner mellem ensembler af fotoner, der rejser gennem tynde optiske fibre.

Sammenkoblede fiberløkker

Deres eksperiment involverede affyring af lysimpulser gennem to koblede fibersløjfer med lidt forskellige længder. Dette fik fotonerne i disse ensembler til at rejse med fordelinger af hastigheder defineret af temperatur - ligesom partiklerne i en almindelig gas. Imidlertid strakte eksperimentets muligheder ud over begrænsningerne for mere konventionelle termodynamiske systemer.

"Af natur er disse klassiske fotoniske konfigurationer styret af deres egne love," forklarer Christodoulides. "Som sådan kan ikke-lineære fotoniske systemer tjene som en alsidig platform, hvorpå man nu kan observere et væld af hidtil ukendte fænomener, som ellers ville have været utilgængelige i andre termodynamiske omgivelser."

Det er afgørende, at Peschel og Christodoulides' hold kunne skabe et scenarie, der ville have været umuligt i en almindelig gas. Et system, hvor alle hastighedstilstande, der er tilgængelige for fotonerne, var lige så sandsynlige, at de var optaget. På dette stadie havde fotonerne nået deres maksimalt mulige entropi og skabte en gas med en uendelig temperatur.

Da forskerne tilføjede mere energi til de koblede sløjfer, begyndte fordelingen af ​​fotonhastigheder at falde, da fotonerne bevægede sig mod en enkelt, maksimal hastighedstilstand.

Grundlæggende termodynamiske processer

For første gang gjorde dette holdet i stand til at observere grundlæggende termodynamiske processer, som hidtil har undgået fysikere, der studerer mere eksotiske systemer i negative temperaturregimer. "Vi observerede helt optiske isentropiske udvidelser og kompressioner, såvel som irreversible Joule-udvidelseseffekter, gennem stabile negative temperaturfordelinger," forklarer Christodoulides.

I deres fremtidige forskning håber holdet at skabe negative temperaturregimer i andre frihedsgrader, der er tilgængelige for fotoner ud over deres hastighed: inklusive rum, frekvens og polarisering. I sidste ende kan dette gøre det muligt for forskere at finjustere lysets egenskaber på fascinerende nye måder - muligvis føre til mere robuste og pålidelige optiske signaler, som er bedre egnet til datatransmission i stor skala.

Christodoulides tilføjer, "vores tilgang kunne også give en rute til at manipulere Bose-Einstein-kondensater og optomekaniske systemer samt til at udvikle optiske kilder med høj lysstyrke baseret på lyskølesystemer."

Forskningen er beskrevet i Videnskab.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/negative-temperature-thermodynamics-is-observed-in-a-photon-gas/