Forscher in Deutschland und den USA haben Photonengase geschaffen, die bei „negativen Temperaturen“ existieren können, während sie grundlegende thermodynamische Prozesse durchlaufen – einschließlich Expansion und Kompression. Die Forschung könnte zur Entwicklung neuer optischer Technologien führen, einschließlich solcher für die Datenübertragung.

Wenn ein Gas auf sehr tiefe Temperaturen abgekühlt wird, nehmen seine Teilchen die niedrigsten verfügbaren Energiezustände im System ein. Wenn das Gas wärmer wird, nehmen einige Teilchen höhere Energiezustände ein. Diese Besetzung kann auf verschiedene Weise erfolgen und diese Vielfalt ist durch eine zunehmende Entropie gekennzeichnet.

Normalerweise gibt es keine Begrenzung für die Anzahl der Energiezustände, auf die die Teilchen zugreifen können, und die Entropie eines Systems kann weiter zunehmen, wenn das System heißer wird. Wenn jedoch die Anzahl der Energiezustände begrenzt ist, steigt die Entropie nicht an, wenn mehr Energie in das System eingebracht wird. Tatsächlich nimmt die Entropie ab, weil die Teilchen in die höchsten Energiezustände gepackt werden. Ein solches System ähnelt einem Niedertemperatursystem, in dem alle Teilchen in die niedrigsten Energiezustände gepackt sind.

Abnehmende Entropie

1949 führte Lars Onsager das Konzept der „negativen Temperatur“ ein, um die thermodynamische Beziehung zwischen Entropie und Energie in einem solchen System zu beschreiben. Wenn die negative Temperatur von unten auf Null ansteigt, nimmt die Energie des Systems zu und die Entropie ab.

„Negative Temperaturen wurden experimentell in Plattformen wie Spinsystemen, kalten Atomgittern und zuletzt Wirbelclustern in 2D-Quantensystemen nachgewiesen“, erklärt er Demetri Christodoulides an der University of Central Florida. „Allerdings ist es noch nicht gelungen, grundlegende thermodynamische Prozesse im negativen Temperaturbereich zu realisieren.“

In einer neuen Studie, Christodoulides zusammen mit Ulf Peschel an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Kollegen, erforschten einen neuen experimentellen Ansatz für negative Temperaturen. Dabei wurden nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Ensembles von Photonen ausgenutzt, die durch dünne optische Fasern wandern.

Gekoppelte Faserschleifen

Ihr Experiment bestand darin, Lichtimpulse durch zwei gekoppelte Faserschleifen mit leicht unterschiedlichen Längen zu schießen. Dies führte dazu, dass sich die Photonen in diesen Ensembles mit temperaturabhängigen Geschwindigkeitsverteilungen fortbewegten – genau wie die Teilchen in einem normalen Gas. Die Möglichkeiten, die das Experiment bot, gingen jedoch über die Grenzen konventionellerer thermodynamischer Systeme hinaus.

„Diese klassischen photonischen Konfigurationen unterliegen von Natur aus ihren eigenen Gesetzen“, erklärt Christodoulides. „Als solche können nichtlineare photonische Systeme als vielseitige Plattform dienen, auf der man jetzt eine Vielzahl bisher unbekannter Phänomene beobachten kann, die in anderen thermodynamischen Umgebungen nicht zugänglich gewesen wären.“

Entscheidend ist, dass das Team von Peschel und Christodoulides ein Szenario schaffen konnte, das in einem normalen Gas unmöglich gewesen wäre. Ein System, in dem alle den Photonen zur Verfügung stehenden Geschwindigkeitszustände mit gleicher Wahrscheinlichkeit besetzt sind. Zu diesem Zeitpunkt hatten die Photonen ihre maximal mögliche Entropie erreicht und ein Gas mit unendlicher Temperatur erzeugt.

Als die Forscher den gekoppelten Schleifen mehr Energie zuführten, begann die Verteilung der Photonengeschwindigkeiten abzunehmen, da sich die Photonen in Richtung eines einzigen Zustands mit maximaler Geschwindigkeit bewegten.

Grundlegende thermodynamische Prozesse

Dies ermöglichte dem Team zum ersten Mal, grundlegende thermodynamische Prozesse zu beobachten, die Physikern bisher entgangen sind, die exotischere Systeme in negativen Temperaturbereichen untersuchten. „Wir haben rein optische isentropische Ausdehnungen und Kompressionen sowie irreversible Joule-Ausdehnungseffekte durch stabile negative Temperaturverteilungen beobachtet“, erklärt Christodoulides.

In ihrer zukünftigen Forschung hofft das Team, negative Temperaturregime in anderen Freiheitsgraden zu schaffen, die Photonen über ihre Geschwindigkeit hinaus zur Verfügung stehen: einschließlich Raum, Frequenz und Polarisation. Letztendlich könnte dies den Forschern ermöglichen, die Eigenschaften des Lichts auf faszinierende neue Weise zu optimieren – was möglicherweise zu robusteren und zuverlässigeren optischen Signalen führen könnte, die besser für die groß angelegte Datenübertragung geeignet sind.

Christodoulides fügt hinzu: „Unser Ansatz könnte auch einen Weg zur Manipulation von Bose-Einstein-Kondensaten und optomechanischen Systemen sowie zur Entwicklung von optischen Quellen mit hoher Helligkeit auf der Grundlage von Lichtkühlungsschemata bieten.“

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.

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