Termodinamika 'suhu negatif' diamati dalam gas foton

Para peneliti di Jerman dan AS telah menciptakan gas foton yang dapat eksis pada “suhu negatif” saat menjalani proses termodinamika dasar – termasuk ekspansi dan kompresi. Penelitian ini dapat mengarah pada pengembangan teknologi optik baru termasuk untuk transmisi data.

Ketika gas didinginkan hingga suhu yang sangat rendah, partikelnya akan menempati tingkat energi terendah yang tersedia dalam sistem. Saat gas menjadi lebih hangat, beberapa partikel akan menempati keadaan energi yang lebih tinggi. Pekerjaan ini dapat dilakukan dalam beberapa cara yang berbeda dan keragaman ini ditandai dengan peningkatan entropi.

Biasanya, tidak ada batasan jumlah keadaan energi yang dapat diakses oleh partikel dan entropi suatu sistem dapat terus meningkat seiring dengan semakin panasnya sistem. Namun, jika ada batasan jumlah keadaan energi, maka entropi tidak akan meningkat karena lebih banyak energi dimasukkan ke dalam sistem. Memang, entropi akan berkurang karena partikel akan dikemas ke dalam keadaan energi tertinggi. Sistem seperti itu mirip dengan sistem suhu rendah di mana semua partikel dikemas ke dalam keadaan energi terendah.

Penurunan entropi

Pada tahun 1949, Lars Onsager memperkenalkan konsep “suhu negatif” untuk menggambarkan hubungan termodinamika antara entropi dan energi dalam sistem tersebut. Ketika suhu negatif meningkat menjadi nol dari bawah, energi sistem meningkat dan entropi menurun.

“Suhu negatif telah ditunjukkan secara eksperimental dalam platform seperti sistem putaran, kisi atom dingin, dan yang terbaru, gugus pusaran dalam sistem kuantum 2D,” jelas Demetri Christoulides di Universitas Florida Tengah. “Namun, mewujudkan proses termodinamika dasar dalam rezim suhu negatif belum tercapai.”

Dalam sebuah studi baru, Christodoulides bersama dengan Ulf Peschel di Universitas Friedrich Schiller Jena dan rekannya, mengeksplorasi pendekatan eksperimental baru terhadap suhu negatif. Ini melibatkan pemanfaatan interaksi nonlinear antara ansambel foton yang berjalan melalui serat optik tipis.

Loop serat yang digabungkan

Eksperimen mereka melibatkan penembakan pulsa cahaya melalui dua loop serat yang digabungkan dengan panjang yang sedikit berbeda. Ini menyebabkan foton dalam ansambel ini bergerak dengan distribusi kecepatan yang ditentukan oleh suhu – seperti partikel dalam gas biasa. Namun, kemungkinan yang disajikan oleh eksperimen tersebut melampaui batasan sistem termodinamika yang lebih konvensional.

“Secara alami, konfigurasi fotonik klasik ini diatur oleh hukumnya sendiri,” jelas Christodoulides. “Dengan demikian, sistem fotonik nonlinear dapat berfungsi sebagai platform serbaguna di mana seseorang sekarang dapat mengamati sejumlah fenomena yang sebelumnya tidak diketahui, yang tidak dapat diakses dalam pengaturan termodinamika lainnya.”

Yang terpenting, tim Peschel dan Christodoulides dapat membuat skenario yang tidak mungkin dilakukan dalam gas biasa. Suatu sistem di mana semua keadaan kecepatan yang tersedia untuk foton sama-sama mungkin ditempati. Pada tahap ini, foton telah mencapai entropi maksimumnya, menciptakan gas dengan suhu tak terhingga.

Ketika para peneliti menambahkan lebih banyak energi ke loop berpasangan, distribusi kecepatan foton mulai berkurang, karena foton bergerak menuju keadaan kecepatan maksimum tunggal.

Proses termodinamika dasar

Untuk pertama kalinya, ini memungkinkan tim untuk mengamati proses termodinamika dasar yang sejauh ini menghindari fisikawan yang mempelajari lebih banyak sistem eksotis dalam rezim suhu negatif. "Kami mengamati ekspansi dan kompresi isentropik semua optik, serta efek ekspansi Joule yang tidak dapat diubah, melalui distribusi suhu negatif yang stabil," jelas Christodoulides.

Dalam penelitian masa depan mereka, tim berharap untuk menciptakan rezim suhu negatif dalam derajat kebebasan lain yang tersedia untuk foton di luar kecepatannya: termasuk ruang, frekuensi, dan polarisasi. Pada akhirnya, ini memungkinkan para peneliti untuk menyempurnakan sifat cahaya dengan cara baru yang menarik – mungkin menghasilkan sinyal optik yang lebih kuat dan andal, yang lebih cocok untuk transmisi data berskala besar.

Christodoulides menambahkan, "pendekatan kami juga dapat menyediakan rute untuk memanipulasi kondensat Bose-Einstein dan sistem optomekanis serta untuk mengembangkan sumber optik kecerahan tinggi berdasarkan skema pendinginan ringan."

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Ilmu.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/negative-temperature-thermodynamics-is-observed-in-a-photon-gas/