'Negativ temperatur' termodynamikk observeres i en fotongass

Forskere i Tyskland og USA har skapt fotongasser som kan eksistere ved "negative temperaturer" mens de gjennomgår grunnleggende termodynamiske prosesser - inkludert ekspansjon og kompresjon. Forskningen kan føre til utvikling av nye optiske teknologier, inkludert de for dataoverføring.

Når en gass avkjøles til svært lave temperaturer, vil dens partikler oppta de laveste tilgjengelige energitilstandene i systemet. Når gassen blir varmere, vil noen partikler oppta høyere energitilstander. Denne okkupasjonen kan gjøres på en rekke forskjellige måter og dette mangfoldet er karakterisert i form av en økende entropi.

Normalt er det ingen begrensning på antall energitilstander som partiklene kan få tilgang til, og entropien til et system kan fortsette å øke etter hvert som systemet blir varmere. Men hvis det er en grense for antall energitilstander, vil ikke entropien øke ettersom mer energi legges inn i systemet. Faktisk vil entropien avta fordi partiklene vil bli pakket inn i de høyeste energitilstandene. Et slikt system ligner på et lavtemperatursystem der alle partiklene er pakket inn i de laveste energitilstandene.

Avtagende entropi

I 1949 introduserte Lars Onsager konseptet "negativ temperatur" for å beskrive det termodynamiske forholdet mellom entropi og energi i et slikt system. Når den negative temperaturen øker til null nedenfra, øker energien i systemet og entropien avtar.

"Negative temperaturer er eksperimentelt demonstrert i plattformer som spinnsystemer, kalde atomgitter, og sist, virvelklynger i 2D kvantesystemer," forklarer Demetri Christodoulides ved University of Central Florida. "Men realisering av grunnleggende termodynamiske prosesser i det negative temperaturregimet er ennå ikke oppnådd."

I en ny studie, Christodoulides sammen med Ulf Peschel ved Friedrich Schiller University Jena og kolleger, utforsket en ny eksperimentell tilnærming til negative temperaturer. Dette innebar å utnytte ikke-lineære interaksjoner mellom ensembler av fotoner som reiser gjennom tynne optiske fibre.

Sammenkoblede fiberløkker

Eksperimentet deres innebar avfyring av lyspulser gjennom to koblede fiberløkker med litt forskjellige lengder. Dette førte til at fotonene i disse ensemblene reiste med fordelinger av hastigheter definert av temperatur - akkurat som partiklene i en vanlig gass. Imidlertid strakte mulighetene som ble presentert av eksperimentet utover begrensningene til mer konvensjonelle termodynamiske systemer.

"Av natur er disse klassiske fotoniske konfigurasjonene styrt av sine egne lover," forklarer Christodoulides. "Som sådan kan ikke-lineære fotoniske systemer tjene som en allsidig plattform der man nå kan observere en rekke tidligere ukjente fenomener, som ellers ville vært utilgjengelige i andre termodynamiske omgivelser."

Avgjørende, Peschel og Christodoulides team kunne skape et scenario som ville vært umulig i en vanlig gass. Et system der alle hastighetstilstander tilgjengelig for fotonene var like sannsynlige å være okkupert. På dette stadiet hadde fotonene nådd sin maksimale mulige entropi, og skapte en gass med en uendelig temperatur.

Da forskerne la til mer energi til de koblede løkkene, begynte fordelingen av fotonhastigheter å avta, ettersom fotonene beveget seg mot en enkelt, maksimal hastighetstilstand.

Grunnleggende termodynamiske prosesser

For første gang gjorde dette teamet i stand til å observere grunnleggende termodynamiske prosesser som så langt har unngått fysikere som har studert mer eksotiske systemer i negative temperaturregimer. "Vi observerte all-optiske isentropiske ekspansjoner og kompresjoner, så vel som irreversible Joule-ekspansjonseffekter, gjennom stabile negative temperaturfordelinger," forklarer Christodoulides.

I deres fremtidige forskning håper teamet å skape negative temperaturregimer i andre frihetsgrader tilgjengelig for fotoner utover deres hastighet: inkludert rom, frekvens og polarisering. Til syvende og sist kan dette gjøre det mulig for forskere å finjustere lysets egenskaper på fascinerende nye måter – muligens føre til mer robuste og pålitelige optiske signaler, som er bedre egnet for dataoverføring i stor skala.

Christodoulides legger til, "vår tilnærming kan også gi en rute for å manipulere Bose-Einstein-kondensat og optomekaniske systemer, samt for å utvikle optiske kilder med høy lysstyrke basert på lyskjølingsplaner."

Forskningen er beskrevet i Vitenskap.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/negative-temperature-thermodynamics-is-observed-in-a-photon-gas/