在光子气体中观察到“负温度”热力学

德国和美国的研究人员已经创造出可以在“负温度”下存在的光子气体，同时经历基本的热力学过程——包括膨胀和压缩。 这项研究可能会导致新光学技术的发展，包括数据传输技术。

当气体冷却到非常低的温度时，其粒子将占据系统中最低的可用能量状态。 随着气体变暖，一些粒子将占据更高的能量状态。 这种占领可以通过多种不同的方式进行，这种多样性的特征是熵增加。

通常，粒子可以进入的能量状态的数量没有限制，并且系统的熵可以随着系统变热而继续增加。 然而，如果能量状态的数量有限制，那么熵不会随着更多的能量进入系统而增加。 事实上，熵会减少，因为粒子会被压缩到最高能态。 这样的系统类似于低温系统，其中所有粒子都被压缩到最低能量状态。

熵减

1949 年，Lars Onsager 引入了“负温度”的概念来描述这种系统中熵与能量之间的热力学关系。 随着负温度从下方增加到零，系统的能量增加，熵减少。

“负温度已经在自旋系统、冷原子晶格以及最近的二维量子系统中的涡旋团簇等平台中得到了实验证明，”解释说 德米特里·克里斯多利德斯 在中佛罗里达大学。 “然而，尚未实现在负温度范围内实现基本的热力学过程。”

在一项新研究中，Christodoulides 与 乌尔夫佩舍尔 在 Friedrich Schiller 大学，Jena 及其同事探索了一种新的负温度实验方法。 这涉及利用通过细光纤传播的光子集合之间的非线性相互作用。

耦合光纤环

他们的实验涉及通过两个长度略有不同的耦合光纤环发射光脉冲。 这导致这些整体中的光子以温度定义的速度分布传播——就像普通气体中的粒子一样。 然而，实验提供的可能性超出了更传统的热力学系统的限制。

“从本质上讲，这些经典的光子配置受其自身定律的支配，”Christodoulides 解释道。 “因此，非线性光子系统可以作为一个多功能平台，人们现在可以在该平台上观察许多以前未知的现象，而这些现象在其他热力学环境中是无法观察到的。”

至关重要的是，Peschel 和 Christodoulides 的团队可以创造一个在常规气体中不可能实现的场景。 一个系统，其中光子可用的所有速度状态都同样可能被占用。 在这个阶段，光子已经达到了它们的最大熵，产生了一种具有无限温度的气体。

当研究人员向耦合回路添加更多能量时，光子速度的分布开始下降，因为光子向单一的最大速度状态移动。

基本热力学过程

这是第一次，这使该团队能够观察到基本的热力学过程，而物理学家迄今未能在负温度条件下研究更多奇异系统。 “我们通过稳定的负温度分布观察到全光等熵膨胀和压缩，以及不可逆的焦耳膨胀效应，”Christodoulides 解释说。

在他们未来的研究中，该团队希望在超出其速度的光子可用的其他自由度中创建负温度机制：包括空间、频率和偏振。 最终，这可以使研究人员以迷人的新方式微调光的特性——可能导致更稳健和可靠的光信号，从而更适合大规模数据传输。

Christodoulides 补充说：“我们的方法还可以为操纵玻色-爱因斯坦凝聚体和光机械系统以及开发基于光冷却方案的高亮度光源提供途径。”

该研究描述于 科学.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/negative-temperature-thermodynamics-is-observed-in-a-photon-gas/