I ricercatori in Germania e negli Stati Uniti hanno creato gas fotonici che possono esistere a "temperature negative" durante i processi termodinamici di base, tra cui espansione e compressione. La ricerca potrebbe portare allo sviluppo di nuove tecnologie ottiche, comprese quelle per la trasmissione dei dati.

Quando un gas viene raffreddato a temperature molto basse, le sue particelle occuperanno gli stati energetici più bassi disponibili nel sistema. Man mano che il gas diventa più caldo, alcune particelle occuperanno stati energetici più elevati. Questa occupazione può essere svolta in molti modi diversi e questa diversità è caratterizzata in termini di entropia crescente.

Normalmente, non c'è limite al numero di stati energetici a cui le particelle possono accedere e l'entropia di un sistema può continuare ad aumentare man mano che il sistema si surriscalda. Tuttavia, se esiste un limite al numero di stati energetici, l'entropia non aumenterà man mano che viene immessa più energia nel sistema. In effetti, l'entropia diminuirà perché le particelle si impacchettano negli stati energetici più elevati. Un tale sistema è simile a un sistema a bassa temperatura in cui tutte le particelle sono impacchettate negli stati energetici più bassi.

Diminuzione dell'entropia

Nel 1949, Lars Onsager introdusse il concetto di "temperatura negativa" per descrivere la relazione termodinamica tra entropia ed energia in un tale sistema. Quando la temperatura negativa sale a zero dal basso, l'energia del sistema aumenta e l'entropia diminuisce.

"Le temperature negative sono state dimostrate sperimentalmente in piattaforme come sistemi di spin, reticoli di atomi freddi e, più recentemente, cluster di vortici in sistemi quantistici 2D", spiega Demetri Christodoulides presso l'Università della Florida centrale. "Tuttavia, la realizzazione di processi termodinamici di base nel regime di temperatura negativa non è stata ancora raggiunta."

In un nuovo studio, Christodoulides insieme a Ulf Peschel alla Friedrich Schiller University Jena e colleghi, hanno esplorato un nuovo approccio sperimentale alle temperature negative. Ciò ha comportato lo sfruttamento delle interazioni non lineari tra insiemi di fotoni che viaggiano attraverso sottili fibre ottiche.

Anelli in fibra accoppiata

Il loro esperimento prevedeva l'emissione di impulsi di luce attraverso due anelli di fibre accoppiate con lunghezze leggermente diverse. Ciò ha fatto sì che i fotoni in questi insiemi viaggiassero con distribuzioni di velocità definite dalla temperatura, proprio come le particelle in un gas normale. Tuttavia, le possibilità presentate dall'esperimento si estendevano oltre i limiti dei sistemi termodinamici più convenzionali.

"Per natura, queste configurazioni fotoniche classiche sono governate da leggi proprie", spiega Christodoulides. “In quanto tali, i sistemi fotonici non lineari possono fungere da piattaforma versatile su cui ora è possibile osservare una serie di fenomeni precedentemente sconosciuti, che sarebbero stati altrimenti inaccessibili in altri contesti termodinamici”.

Fondamentalmente, il team di Peschel e Christodoulides è riuscito a creare uno scenario che sarebbe stato impossibile con un gas normale. Un sistema in cui tutti gli stati di velocità disponibili per i fotoni avevano la stessa probabilità di essere occupati. A questo punto i fotoni avevano raggiunto la loro massima entropia possibile, creando un gas con una temperatura infinita.

Quando i ricercatori hanno aggiunto più energia ai circuiti accoppiati, la distribuzione delle velocità dei fotoni ha iniziato a diminuire, mentre i fotoni si muovevano verso un unico stato di velocità massima.

Processi termodinamici di base

Per la prima volta, questo ha permesso al team di osservare i processi termodinamici di base che finora sono sfuggiti ai fisici che studiano sistemi più esotici in regimi di temperatura negativi. «Abbiamo osservato espansioni e compressioni isentropiche completamente ottiche, nonché effetti di espansione Joule irreversibili, attraverso distribuzioni di temperatura negative stabili», spiega Christodoulides.

Nella loro ricerca futura, il team spera di creare regimi di temperatura negativi in ​​altri gradi di libertà disponibili per i fotoni oltre la loro velocità: inclusi spazio, frequenza e polarizzazione. In definitiva, ciò potrebbe consentire ai ricercatori di mettere a punto le proprietà della luce in modi nuovi e affascinanti, possibilmente portando a segnali ottici più robusti e affidabili, che sono più adatti alla trasmissione di dati su larga scala.

Christodoulides aggiunge: "il nostro approccio potrebbe anche fornire un percorso per manipolare condensati di Bose-Einstein e sistemi optomeccanici, nonché per sviluppare sorgenti ottiche ad alta luminosità basate su schemi di raffreddamento della luce".

La ricerca è descritta in Scienze.

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