… στην κλίμακα Κέλβιν

Ερευνητές στη Γερμανία και τις ΗΠΑ δημιούργησαν αέριo φωτονίων που μπορεί να υπάρξει σε «αρνητικές θερμοκρασίες», κάτω από το απόλυτο μηδέν της κλίμακας Κέλβιν, ενώ υφίσταται βασικές θερμοδυναμικές διεργασίες – συμπεριλαμβανομένης της διαστολής και της συμπίεσης. Η έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων οπτικών τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένων και των σχετικών για τη μετάδοση δεδομένων.

Όταν ένα αέριο ψύχεται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα σωματίδια του καταλαμβάνουν τις χαμηλότερες διαθέσιμες ενεργειακές καταστάσεις του συστήματος. Καθώς το αέριο γίνεται θερμότερο, ορισμένα σωματίδια καταλαμβάνουν υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. Η κατάληψη μπορεί να γίνει με πολλούς διαφορετικούς τρόπους και αυτή η ποικιλομορφία χαρακτηρίζεται από αυξανόμενη εντροπία.

Κανονικά, δεν υπάρχει όριο στον αριθμό των ενεργειακών καταστάσεων στις οποίες μπορούν να έχουν πρόσβαση τα σωματίδια και η εντροπία ενός συστήματος μπορεί να συνεχίσει να αυξάνεται καθώς το σύστημα θερμαίνεται. Ωστόσο, αν υπάρχει όριο στον αριθμό των ενεργειακών καταστάσεων, τότε η εντροπία δεν θα αυξάνεται καθώς θα προσφέρεται περισσότερη ενέργεια στο σύστημα. Τότε, η εντροπία θα αρχίσει να μειώνεται γιατί τα σωματίδια θα συσσωρευτούν στις υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. Ένα τέτοιο σύστημα είναι παρόμοιο με σύστημα χαμηλής θερμοκρασίας στο οποίο όλα τα σωματίδια καταλαμβάνουν τις χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις.

Μειούμενη εντροπία

Το 1949, ο Lars Onsager εισήγαγε την έννοια της «αρνητικής θερμοκρασίας» για να περιγράψει την θερμοδυναμική σχέση μεταξύ εντροπίας και ενέργειας σε ένα τέτοιο σύστημα. Καθώς η αρνητική θερμοκρασία αυξάνεται κατ΄απόλυτη τιμή, η ενέργεια του συστήματος αυξάνεται και η εντροπία μειώνεται.

διαβάστε σχετικά: Επίτευξη αρνητικών απόλυτων θερμοκρασιών

«Οι αρνητικές θερμοκρασίες έχουν πραγματοποιηθεί πειραματικά σε συστήματα μαγνητικών διπόλων, σε ψυχρά πλέγματα ατόμων και πιο πρόσφατα, συστάδες στροβιλισμού σε δισδιάστατα κβαντικά συστήματα», εξηγεί ο Δημήτρης Χριστοδουλίδης από το Πανεπιστήμιο της Κεντρικής Florida. «Ωστόσο, η πραγματοποίηση βασικών θερμοδυναμικών διεργασιών σε αρνητικές θερμοκρασίες δεν έχει ακόμη επιτευχθεί».

Σε μια νέα μελέτη, ο Χριστοδουλίδης με τον Ulf Peschel από το Πανεπιστήμιο Friedrich Schiller Jena, διερεύνησαν μια νέα πειραματική προσέγγιση των αρνητικών θερμοκρασιών. Αυτή περιλάμβανε την αξιοποίηση μη γραμμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ συλλογών (ensembles) φωτονίων που κινούνται διαμέσου λεπτών οπτικών ινών.

Συζευγμένοι βρόχοι ινών

Το πείραμά τους περιελάμβανε εκτόξευση παλμών φωτός διαμέσου δύο συζευγμένων βρόχων ινών με λίγο διαφορετικά μήκη. Με τον τρόπο αυτό τα φωτόνια σ’ αυτές τις συλλογές κινούνται με κατανομές ταχυτήτων που καθορίζονται από την θερμοκρασία – ακριβώς όπως τα σωματίδια σε ένα κανονικό αέριο. Όμως, οι δυνατότητες που παρουσιάστηκαν από το πείραμα ξεπερνούσαν τους περιορισμούς των πιο συμβατικών θερμοδυναμικών συστημάτων.

«Από τη φύση τους, αυτές οι κλασικές φωτονικές διαμορφώσεις διέπονται από τους δικούς τους νόμους», εξηγεί ο Χριστοδουλίδης. «Ως εκ τούτου, τα μη γραμμικά φωτονικά συστήματα μπορούν να χρησιμεύσουν ως μια πολυχρηστική πλατφόρμα πάνω στην οποία μπορεί κανείς να παρατηρήσει τώρα μια σειρά από άγνωστα φαινόμενα, που αλλιώς θα ήταν απρόσιτα σε άλλες θερμοδυναμικές διατάξεις».

Το σημαντικό είναι ότι η ομάδα των Peschel και Χριστοδουλίδη θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα σενάριο που θα ήταν αδύνατο σε ένα κανονικό αέριο. Ένα σύστημα στο οποίο όλες οι διαθέσιμες καταστάσεις ταχύτητας για τα φωτόνια να ήταν εξίσου πιθανό να είναι κατειλημμένες. Σε αυτό το στάδιο, τα φωτόνια θα είχαν φτάσει στη μέγιστη δυνατή εντροπία τους, δημιουργώντας ένα αέριο με άπειρη θερμοκρασία.

Όταν οι ερευνητές πρόσθεσαν περισσότερη ενέργεια στους συζευγμένους βρόχους, η κατανομή των ταχυτήτων φωτονίων άρχισε να μειώνεται, καθώς τα φωτόνια κινούνταν προς μια ενιαία, κατάσταση μέγιστης ταχύτητας.

Βασικές θερμοδυναμικές διεργασίες

Για πρώτη φορά, αυτό επέτρεψε στην ομάδα να παρατηρήσει βασικές θερμοδυναμικές διεργασίες που μέχρι στιγμής διέφευγαν από τους φυσικούς που μελετούσαν εξωτικά συστήματα με αρνητικές θερμοκρασίες. «Παρατηρήσαμε πλήρως οπτικές ισοεντροπικές διαστολές και συμπιέσεις, καθώς και μη αντιστρέψιμα φαινόμενα διαστολής Joule, διαμέσου σταθερών αρνητικών κατανομών θερμοκρασίας», εξηγεί ο Χριστοδουλίδης.

Στην μελλοντική τους έρευνα, η ομάδα ελπίζει να δημιουργήσει αρνητικές καταταστάσεις θερμοκρασίας που ορίζεται διαμέσου άλλων βαθμών ελευθερίας που διαθέτουν τα φωτόνια, πέραν της ταχύτητάς τους, που σχετίζονται με τον χώρο, την συχνότητα και την πόλωσης. Τελικά, αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να προσαρμόσουν τις ιδιότητες του φωτός με συναρπαστικά νέους τρόπους – δημιουργώντας πιθανώς πιο ισχυρά και αξιόπιστα οπτικά σήματα, καταλληλότερα για την μετάδοση δεδομένων μεγάλης κλίμακας.

Σύμφωνα με τον Χριστοδουλίδη: «η προσέγγισή μας θα μπορούσε επίσης να αναδείξει έναν τρόπο για τον χειρισμό συμπυκνωμάτων Bose-Einstein και οπτομηχανικών συστημάτων καθώς και για την ανάπτυξη οπτικών πηγών υψηλής φωτεινότητας βασισμένα σε συστήματα ψύξης με χρήση φωτός».

Η έρευνα δημοσιεύεται στο περιοδικό Science.

Περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του physicsworld με τίτλο: Negative temperature’ thermodynamics is observed in a photon gas

Κατηγορίες:ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ, ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ

Ετικέτες: ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ, PHYSICS