顛覆“熱力學(xué)第二定律”

來(lái)源|高分子科學(xué)前沿

溫度是一種衡量物質(zhì)熱度的物理量，一般來(lái)說(shuō)，粒子運(yùn)動(dòng)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(gè)最高能級(jí)，這時(shí)候如果給系統(tǒng)加熱，讓更多的粒子占據(jù)最高能級(jí)，那么系統(tǒng)的溫度就會(huì)變成負(fù)數(shù)。

德國(guó)耶拿大學(xué)Ulf Peschel課題組和中佛羅里達(dá)大學(xué)?Demetrios Christodoulides課題組合作開(kāi)發(fā)出一種光子時(shí)間合成網(wǎng)格晶格（photonic time-synthetic mesh lattice）的光學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)由兩個(gè)長(zhǎng)度略有差異的光纖環(huán)組成，可以通過(guò)調(diào)節(jié)光脈沖的時(shí)序和相位，構(gòu)造出一個(gè)由光子組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能量狀態(tài)、躍遷概率、非線性相互作用等網(wǎng)格晶格參數(shù)的調(diào)節(jié)。研究展示了負(fù)溫度下光子之間的熱力學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)負(fù)溫度下熱量從低溫流向高溫，有望實(shí)現(xiàn)超過(guò)100%的卡諾效率。熱力學(xué)第二定律對(duì)所有熱機(jī)的熱效率進(jìn)行了基本的限制。即使是理想的無(wú)摩擦發(fā)動(dòng)機(jī)也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉(zhuǎn)換成工作，卡諾循環(huán)的效率必定小于1。如此，在負(fù)溫度下，這一切都將被顛覆，有望實(shí)現(xiàn)更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)。相關(guān)成果以“Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions”為題發(fā)表于《Science》。

熱力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)示意圖

通過(guò)控制光子晶格，實(shí)現(xiàn)了21種模式的激發(fā)，并對(duì)其中的10種模式進(jìn)行研究。作者觀測(cè)到正溫度和負(fù)溫度，并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。光經(jīng)過(guò)非線性光纖進(jìn)行四波混頻作用，可以模擬出正溫度和負(fù)溫度條件下，光子之間達(dá)到熱平衡的過(guò)程。由于系統(tǒng)中可用狀態(tài)的數(shù)量是有限的，觀測(cè)到的負(fù)溫度狀態(tài)是穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。

觀測(cè)正溫度和負(fù)溫度

該研究利用光學(xué)平臺(tái)模擬了負(fù)溫度下光子之間的等壓膨脹、等容壓縮、絕熱膨脹等過(guò)程，并且測(cè)量了每個(gè)過(guò)程中光子能量和體積（波長(zhǎng)）的變化。等壓膨脹時(shí)，保持壓強(qiáng)不變，光子能量增加而體積減??；等容壓縮時(shí)，保持體積不變，光子能量減小。在負(fù)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(huì)從低溫流向高溫，這些現(xiàn)象與正溫度區(qū)域相反。這意味著，在負(fù)溫度區(qū)域運(yùn)行一個(gè)類似于卡諾循環(huán)的過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)100%的卡諾效率。

負(fù)溫度下的光學(xué)絕熱自由膨脹

審核編輯 LH