Термодинаміка «негативної температури» спостерігається у фотонному газі

Дослідники з Німеччини та США створили фотонні гази, які можуть існувати при «негативних температурах», піддаючись основним термодинамічним процесам, включаючи розширення та стиснення. Дослідження може призвести до розробки нових оптичних технологій, у тому числі для передачі даних.

Коли газ охолоджується до дуже низьких температур, його частинки займатимуть найнижчі доступні енергетичні стани в системі. Коли газ стає теплішим, деякі частинки займатимуть більш високі енергетичні стани. Це заняття можна виконувати кількома різними способами, і ця різноманітність характеризується з точки зору зростання ентропії.

Зазвичай кількість енергетичних станів, до яких можуть отримати частинки, не обмежена, і ентропія системи може продовжувати зростати, коли система стає гарячішою. Однак, якщо є обмеження на кількість енергетичних станів, то ентропія не буде збільшуватися, оскільки більше енергії вкладається в систему. Дійсно, ентропія зменшиться, тому що частинки будуть упаковані в стани з найвищою енергією. Така система схожа на систему з низькими температурами, в якій усі частинки упаковані в найнижчі енергетичні стани.

Зменшення ентропії

У 1949 році Ларс Онсагер ввів поняття «негативної температури» для опису термодинамічного зв’язку між ентропією та енергією в такій системі. У міру підвищення негативної температури до нуля знизу енергія системи зростає, а ентропія зменшується.

«Негативні температури були експериментально продемонстровані на таких платформах, як спінові системи, решітки холодних атомів, а нещодавно — вихрові кластери в двовимірних квантових системах», — пояснює. Деметрі Христодулід в Університеті Центральної Флориди. «Однак реалізація основних термодинамічних процесів в режимі негативної температури ще не досягнута».

У новому дослідженні Christodoulides разом з Ульф Пешель в Єнському університеті імені Фрідріха Шиллера та його колеги дослідили новий експериментальний підхід до негативних температур. Це передбачало використання нелінійних взаємодій між ансамблями фотонів, що подорожують через тонкі оптичні волокна.

Зчеплені волокнисті петлі

Їхній експеримент включав випромінювання імпульсів світла через дві сполучені петлі волокна з дещо різною довжиною. Це призвело до того, що фотони в цих ансамблях рухалися з розподілом швидкостей, визначених температурою, як і частинки в звичайному газі. Однак можливості, представлені експериментом, виходять за межі обмежень більш звичайних термодинамічних систем.

«За своєю природою ці класичні фотонні конфігурації керуються власними законами», — пояснює Крістодулідес. «Як такі, нелінійні фотонні системи можуть служити універсальною платформою, на якій тепер можна спостерігати безліч раніше невідомих явищ, які інакше були б недоступні в інших термодинамічних умовах».

Важливо те, що команда Пешеля та Хрістодулідеса могла створити сценарій, який був би неможливий у звичайному газі. Система, в якій усі швидкісні стани, доступні для фотонів, однаково ймовірно будуть зайняті. На цьому етапі фотони досягли своєї максимально можливої ​​ентропії, утворюючи газ із нескінченною температурою.

Коли дослідники додали більше енергії до зв’язаних петель, розподіл швидкостей фотонів почав зменшуватися, оскільки фотони рухалися до єдиного стану максимальної швидкості.

Основні термодинамічні процеси

Це вперше дозволило команді спостерігати основні термодинамічні процеси, які досі вислизали від фізиків, які вивчають більш екзотичні системи в негативних температурних режимах. «Ми спостерігали повністю оптичні ізентропічні розширення та стиснення, а також незворотні ефекти розширення Джоуля через стабільні негативні розподіли температури», — пояснює Крістодулідес.

У своїх майбутніх дослідженнях команда сподівається створити негативні температурні режими в інших ступенях свободи, доступних для фотонів, крім їх швидкості: включаючи простір, частоту та поляризацію. Зрештою, це може дозволити дослідникам точно налаштувати властивості світла захоплюючими новими способами, що, можливо, призведе до більш надійних і надійних оптичних сигналів, які краще підходять для великомасштабної передачі даних.

Крістодулідес додає: «Наш підхід може також забезпечити шлях для маніпулювання конденсатами Бозе-Ейнштейна та оптико-механічними системами, а також для розробки оптичних джерел високої яскравості на основі схем світлового охолодження».

Дослідження описано в наука.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/negative-temperature-thermodynamics-is-observed-in-a-photon-gas/