光脉冲表现得像一种奇异气体

在著名的科学杂志上发表 由 Ulf Peschel 教授领导的团队于今天 (10.3.23) 报告了对通过几微米薄的玻璃纤维传播数千公里的脉冲序列的测量结果。研究人员对结果感到惊讶。“我们发现光脉冲在大约一百公里后自行组织起来，然后表现得更像传统气体的分子，例如空气，”耶拿小组负责人 Ulf Peschel 教授报告说。在气体中，粒子以不同的速度来回移动，但它们仍然具有由它们的温度定义的平均速度。尽管光脉冲以每秒约 200,000 公里的平均速度在玻璃纤维中传播，但它们的速度并不完全相同。

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，通过称为绝热膨胀的过程。与真实气体一样，粒子的速度差在冷却过程中会减小，信号序列中的阶数会自动增加。当达到 0 开尔文的绝对零温度时，所有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，速度差会增加”，Peschel 解释道。如果所有脉冲速度出现的频率相同，则无序度最大且温度无限大——这种状态在真实气体中无法达到，因为它需要无限量的能量。“相比之下，折射率的周期性调制可以限制玻璃纤维中允许的脉冲速度范围。这样，所有可用的速度状态都可以被同等激发，从而产生无限温度的光子气体。如果加入更多的能量，极端速度的状态会优先出现——光子气体变得比无限热更热。

Peschel 说：“对于这种迄今为止仅在理论上对光进行了描述的状态，在数学上假设温度低于绝对零。” 他和他的同事现在已经能够创造出这种具有负温度的光子气体，并首次证明它遵守传统的热力学定律。“我们的结果将有助于更好地理解大型光信号集合的集体行为。如果我们考虑热力学定律，我们可以使光数据传输更加稳健和可靠，例如通过构建脉冲分布以更好地匹配热分布。”

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