在發(fā)表在《科學》雜志上的工作中，由Ulf Peschel教授領(lǐng)導的研究小組報告了對一系列脈沖的測量結(jié)果，這些脈沖通過只有幾微米薄的玻璃纖維傳播數(shù)千公里。研究人員對結(jié)果感到驚訝。

“我們發(fā)現(xiàn)光脈沖在大約一百公里后會自我組織起來，然后表現(xiàn)得更像常規(guī)氣體的分子，例如空氣，”耶拿小組負責人Ulf Peschel教授報告說。

在氣體中，粒子以不同的速度來回移動，但它們?nèi)匀痪哂杏善錅囟榷x的平均速度。雖然光脈沖以平均每秒200，000公里的速度在玻璃纖維中傳播，但它們的速度并不完全相同。“它們速度的統(tǒng)計分布完全等于具有固定溫度的傳統(tǒng)氣體，”Peschel說。

正如研究人員在最近的出版物中首次證明的那樣，這種光子氣體可以通過稱為絕熱膨脹的過程進行冷卻。與在真實氣體中一樣，顆粒的速度差在冷卻過程中減小，信號序列中的順序自動增加。當達到0開爾文的絕對溫度零點時，所有脈沖都以完全相同的速度傳播。

反向過程也是可能的。“當光學氣體被加熱時，速度差異會增加，”Peschel解釋說。如果所有脈沖速度發(fā)生的頻率相同，則無序處于最大值，溫度是無限的 - 這種狀態(tài)在真正的氣體中無法達到，因為它需要無限量的能量。

“相比之下，折射率的周期性調(diào)制會限制玻璃纖維中允許的脈沖速度范圍。通過這種方式，所有可用的速度狀態(tài)都可以被同等激發(fā)，從而產(chǎn)生無限溫度的光子氣體。如果增加更多的能量，就會優(yōu)先填充極端速度的狀態(tài)——光子氣體變得比無限熱更熱。

“對于這種狀態(tài)，到目前為止只在理論上描述了光，數(shù)學上假設(shè)溫度低于絕對零度，”Peschel說。他和他的同事們現(xiàn)在已經(jīng)能夠創(chuàng)造出這種負溫度的光子氣體，并首次表明它遵守傳統(tǒng)的熱力學定律。

“我們的研究結(jié)果將有助于更好地理解大型光信號集合的集體行為。如果我們考慮到熱力學定律，我們可以使光學數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)健和可靠，例如通過構(gòu)建脈沖分布以更好地匹配熱分布。