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(tǒng)中的粒子只能在有限的幾種能量狀態(tài)之間跳躍且存在一個最高能級，這時候如果給系統(tǒng)加熱，讓更多的粒子占據最高能級，那么系統(tǒng)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(fā)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(huán)組成，可以通過調節(jié)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(tài)、躍遷概率、非線性相互作用等網格晶格參數的調節(jié)。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(fā)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(huán)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(fā)動機。相關成果以“Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions”為題發(fā)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(fā)，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(tǒng)中可用狀態(tài)的數量是有限的，觀測到的負溫度狀態(tài)是穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。

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??；等容壓縮時，保持體積不變，光子能量減小。在負溫度區(qū)域，由于低溫系統(tǒng)比高溫系統(tǒng)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(qū)域相反。這意味著，在負溫度區(qū)域運行一個類似于卡諾循環(huán)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

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