독일과 미국의 연구원들은 팽창과 압축을 포함한 기본적인 열역학적 과정을 거치면서 "음의 온도"에서 존재할 수 있는 광자 가스를 만들었습니다. 이 연구는 데이터 전송을 포함한 새로운 광학 기술 개발로 이어질 수 있습니다.
가스가 매우 낮은 온도로 냉각되면 입자는 시스템에서 사용 가능한 가장 낮은 에너지 상태를 차지합니다. 가스가 따뜻해지면 일부 입자는 더 높은 에너지 상태를 차지합니다. 이 점유는 다양한 방법으로 수행될 수 있으며 이러한 다양성은 증가하는 엔트로피 측면에서 특징지어집니다.
일반적으로 입자가 액세스할 수 있는 에너지 상태의 수에는 제한이 없으며 시스템이 뜨거워짐에 따라 시스템의 엔트로피가 계속 증가할 수 있습니다. 그러나 에너지 상태의 수에 제한이 있으면 더 많은 에너지가 시스템에 투입될 때 엔트로피가 증가하지 않습니다. 실제로 입자가 가장 높은 에너지 상태로 채워지기 때문에 엔트로피가 감소합니다. 이러한 시스템은 모든 입자가 가장 낮은 에너지 상태로 채워지는 저온 시스템과 유사합니다.
엔트로피 감소
1949년 Lars Onsager는 이러한 시스템에서 엔트로피와 에너지 사이의 열역학적 관계를 설명하기 위해 "음의 온도" 개념을 도입했습니다. 음의 온도가 아래에서 XNUMX으로 증가함에 따라 시스템의 에너지가 증가하고 엔트로피가 감소합니다.
"음의 온도는 스핀 시스템, 냉원자 격자, 가장 최근에는 2D 양자 시스템의 소용돌이 클러스터와 같은 플랫폼에서 실험적으로 입증되었습니다."라고 설명합니다. 데메트리 크리스토두리데스 센트럴 플로리다 대학에서. "그러나 음의 온도 체제에서 기본적인 열역학적 프로세스를 실현하는 것은 아직 달성되지 않았습니다."
새로운 연구에서 Christodoulides는 울프 페셸 Friedrich Schiller University의 Jena와 동료들은 음의 온도에 대한 새로운 실험적 접근 방식을 탐구했습니다. 여기에는 얇은 광섬유를 통해 이동하는 광자 앙상블 간의 비선형 상호 작용을 이용하는 것이 포함됩니다.
결합된 섬유 루프
그들의 실험은 길이가 약간 다른 두 개의 결합된 섬유 루프를 통해 빛의 펄스를 발사하는 것과 관련이 있습니다. 이로 인해 이러한 앙상블의 광자는 일반 가스의 입자와 마찬가지로 온도에 의해 정의된 속도 분포로 이동했습니다. 그러나 실험에 의해 제시된 가능성은 기존 열역학 시스템의 한계를 넘어 확장되었습니다.
"본질적으로 이러한 고전적인 광자 구성은 자체 법칙에 따라 결정됩니다."라고 Christodoulides는 설명합니다. 따라서 비선형 광자 시스템은 다른 열역학 설정에서는 접근할 수 없었던 이전에 알려지지 않은 여러 현상을 이제 관찰할 수 있는 다목적 플랫폼 역할을 할 수 있습니다.”
결정적으로 Peschel과 Christodoulides의 팀은 일반 가스에서는 불가능했을 시나리오를 만들 수 있었습니다. 광자가 사용할 수 있는 모든 속도 상태가 동일하게 점유될 가능성이 있는 시스템입니다. 이 단계에서 광자는 가능한 최대 엔트로피에 도달하여 무한한 온도의 가스를 생성했습니다.
연구원들이 결합된 루프에 더 많은 에너지를 추가했을 때 광자가 단일 최대 속도 상태로 이동함에 따라 광자 속도 분포가 감소하기 시작했습니다.
기본 열역학 프로세스
이것은 처음으로 팀이 지금까지 음의 온도 체제에서 더 이국적인 시스템을 연구하는 물리학자들을 피했던 기본적인 열역학적 프로세스를 관찰할 수 있게 했습니다. "우리는 안정적인 음의 온도 분포를 통해 모든 광학 등엔트로피 팽창 및 압축뿐만 아니라 비가역적인 주울 팽창 효과를 관찰했습니다."라고 Christodoulides는 설명합니다.
향후 연구에서 팀은 공간, 주파수 및 편광을 포함하여 속도를 넘어 광자가 사용할 수 있는 다른 자유도에서 음의 온도 체제를 생성하기를 희망합니다. 궁극적으로 이것은 연구원들이 매혹적인 새로운 방식으로 빛의 속성을 미세 조정할 수 있게 하여 대규모 데이터 전송에 더 적합한 보다 강력하고 신뢰할 수 있는 광 신호로 이어질 수 있습니다.
Christodoulides는 "우리의 접근 방식은 Bose-Einstein 응축물 및 광학 기계 시스템을 조작하고 광 냉각 체계를 기반으로 하는 고휘도 광원을 개발하기 위한 경로를 제공할 수도 있습니다."라고 덧붙입니다.
연구는 다음에 설명되어 있습니다. 과학.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/negative-temperature-thermodynamics-is-observed-in-a-photon-gas/
