來源|高分子科學前沿

溫度是一種衡量物質熱度的物理量，一般來說，粒子運動得越快，溫度就越高。有些系統中的粒子只能在有限的幾種能量狀態之間跳躍且存在一個最高能級，這時候如果給系統加熱，讓更多的粒子占據最高能級，那么系統的溫度就會變成負數。

德國耶拿大學Ulf Peschel課題組和中佛羅里達大學?Demetrios Christodoulides課題組合作開發出一種光子時間合成網格晶格（photonic time-synthetic mesh lattice）的光學平臺。平臺由兩個長度略有差異的光纖環組成，可以通過調節光脈沖的時序和相位，構造出一個由光子組成的網格結構。平臺可以實現對能量狀態、躍遷概率、非線性相互作用等網格晶格參數的調節。研究展示了負溫度下光子之間的熱力學過程，實現負溫度下熱量從低溫流向高溫，有望實現超過100%的卡諾效率。熱力學第二定律對所有熱機的熱效率進行了基本的限制。即使是理想的無摩擦發動機也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉換成工作，卡諾循環的效率必定小于1。如此，在負溫度下，這一切都將被顛覆，有望實現更高效的發動機。相關成果以“Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions”為題發表于《Science》。

熱力學試驗臺示意圖

通過控制光子晶格，實現了21種模式的激發，并對其中的10種模式進行研究。作者觀測到正溫度和負溫度，并在實驗中驗證了理論預測。光經過非線性光纖進行四波混頻作用，可以模擬出正溫度和負溫度條件下，光子之間達到熱平衡的過程。由于系統中可用狀態的數量是有限的，觀測到的負溫度狀態是穩定的熱平衡狀態。

觀測正溫度和負溫度

該研究利用光學平臺模擬了負溫度下光子之間的等壓膨脹、等容壓縮、絕熱膨脹等過程，并且測量了每個過程中光子能量和體積（波長）的變化。等壓膨脹時，保持壓強不變，光子能量增加而體積減小；等容壓縮時，保持體積不變，光子能量減小。在負溫度區域，由于低溫系統比高溫系統具有更高的平均能量密度，熱量會從低溫流向高溫，這些現象與正溫度區域相反。這意味著，在負溫度區域運行一個類似于卡諾循環的過程，可以實現超過100%的卡諾效率。

負溫度下的光學絕熱自由膨脹

審核編輯 LH