В фотонном газе наблюдается термодинамика «отрицательной температуры».

Исследователи в Германии и США создали фотонные газы, которые могут существовать при «отрицательных температурах», подвергаясь основным термодинамическим процессам, включая расширение и сжатие. Исследование может привести к разработке новых оптических технологий, в том числе для передачи данных.

Когда газ охлаждается до очень низких температур, его частицы занимают самые низкие доступные энергетические состояния в системе. Когда газ становится теплее, некоторые частицы занимают более высокие энергетические состояния. Это занятие может быть выполнено различными способами, и это разнообразие характеризуется возрастающей энтропией.

Обычно количество энергетических состояний, к которым могут получить доступ частицы, не ограничено, и энтропия системы может увеличиваться по мере нагревания системы. Однако если существует ограничение на количество энергетических состояний, то энтропия не будет увеличиваться по мере того, как в систему вкладывается больше энергии. Действительно, энтропия уменьшится, потому что частицы будут упакованы в самые высокие энергетические состояния. Такая система подобна низкотемпературной системе, в которой все частицы упакованы в низшие энергетические состояния.

Уменьшение энтропии

В 1949 году Ларс Онзагер ввел понятие «отрицательная температура» для описания термодинамической связи между энтропией и энергией в такой системе. По мере увеличения отрицательной температуры до нуля снизу энергия системы увеличивается, а энтропия уменьшается.

«Отрицательные температуры были экспериментально продемонстрированы на таких платформах, как спиновые системы, решетки холодных атомов и, совсем недавно, вихревые кластеры в двумерных квантовых системах», — объясняет Деметри Христодулидес в Университете Центральной Флориды. «Однако реализация основных термодинамических процессов в отрицательном температурном режиме еще не достигнута».

В новом исследовании Христодулидес вместе с Ульф Пешель в Университете Фридриха Шиллера в Йене и его коллегах исследовали новый экспериментальный подход к отрицательным температурам. Это включало использование нелинейных взаимодействий между ансамблями фотонов, путешествующих по тонким оптическим волокнам.

Связанные петли волокон

В их эксперименте использовались световые импульсы через две связанные петли волокон немного разной длины. Это заставляло фотоны в этих ансамблях двигаться с распределением скоростей, определяемым температурой — точно так же, как частицы в обычном газе. Однако возможности, предоставленные экспериментом, выходят за рамки ограничений более традиционных термодинамических систем.

«По своей природе эти классические фотонные конфигурации управляются своими собственными законами», — объясняет Христодулидес. «Таким образом, нелинейные фотонные системы могут служить универсальной платформой, на которой теперь можно наблюдать множество ранее неизвестных явлений, которые иначе были бы недоступны в других термодинамических условиях».

Важно отметить, что команда Пешеля и Христодулидиса смогла создать сценарий, который был бы невозможен при использовании обычного газа. Система, в которой все скоростные состояния, доступные фотонам, с равной вероятностью будут заняты. На этом этапе фотоны достигли максимально возможной энтропии, создав газ с бесконечной температурой.

Когда исследователи добавили больше энергии к связанным петлям, распределение скоростей фотонов начало уменьшаться, поскольку фотоны двигались к одному состоянию с максимальной скоростью.

Основные термодинамические процессы

Впервые это позволило команде наблюдать за основными термодинамическими процессами, которые до сих пор ускользали от физиков, изучающих более экзотические системы в отрицательных температурных режимах. «Мы наблюдали полностью оптическое изоэнтропическое расширение и сжатие, а также необратимые эффекты расширения Джоуля через стабильные распределения отрицательных температур», — объясняет Христодулидес.

В своих будущих исследованиях команда надеется создать отрицательные температурные режимы в других степенях свободы, доступных фотонам, помимо их скорости: включая пространство, частоту и поляризацию. В конечном счете, это может позволить исследователям точно настроить свойства света новыми увлекательными способами, что может привести к более устойчивым и надежным оптическим сигналам, которые лучше подходят для крупномасштабной передачи данных.

Христодулидес добавляет: «Наш подход может также предоставить путь для управления конденсатом Бозе-Эйнштейна и оптомеханическими системами, а также для разработки оптических источников высокой яркости на основе схем охлаждения света».

Исследование описано в Наука.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/negative-temperature-thermodynamics-is-observed-in-a-photon-gas/