光脉冲可以表现得像一种奇异的气体
发布时间：2023-03-13 00:00:00.000Z
在《科学》杂志上发表的工作中，由Ulf Peschel教授博士领导的团队报告了对一连串脉冲的测量，这些脉冲在只有几微米薄的玻璃纤维中传播数千公里。研究人员对这些结果感到惊讶。
"我们发现，光脉冲在大约一百公里后会自己组织起来，然后表现得更像传统气体的分子，例如空气，"耶拿的小组负责人乌尔夫-佩舍尔教授报告说。
在气体中，粒子以不同的速度来回移动，但它们仍然有一个由其温度决定的平均速度。尽管光脉冲在玻璃纤维中传播的平均速度约为每秒20万公里，但它们的速度并不都一样快。"Peschel说："它们的速度的统计分布正好等于具有固定温度的常规气体的统计分布。
正如研究人员现在在他们最近的出版物中首次证明的那样，这种光子气体可以被冷却，例如，通过一个被称为绝热膨胀的过程。就像在真正的气体中一样，粒子的速度差在冷却过程中减少，信号序列中的顺序自动增加。当达到0开尔文的绝对温度零点时，所有的脉冲都以完全相同的速度传播。
相反的过程也是可能的。"当光学气体被加热时，速度差异增加，"Peschel解释说。如果所有的脉冲速度出现的频率相同，那么无序就达到了最大值，温度也是无限的--这种状态在真实的气体中是无法达到的，因为这需要无限的能量。
"相反，折射率的定期调制可以限制玻璃纤维中允许的脉冲速度范围。通过这种方式，所有可用的速度状态都可以被平等地激发，创造出一个温度无限的光子气体。如果加入更多的能量，极端速度的状态会优先被填充--光子气体变得比无限热更热。"
"Peschel说："对于这种迄今为止只在理论上描述过的光的状态，在数学上假定温度低于绝对零度。他和他的同事们现在已经能够创造出这样一种具有负温度的光子气体，并首次表明它服从传统的热力学定律。
"我们的结果将有助于更好地理解大型光信号集合体的集体行为。如果我们考虑到热力学定律，我们可以使光学数据传输更加稳健和可靠，例如通过构造脉冲分布以更好地匹配热分布。"
更多信息：A. L. Marques Muniz等人，观察负光学温度条件下的光子-光子热力学过程，科学（2023）。DOI: 10.1126/science.ade6523. www.science.org/doi/10.1126/science.ade6523
