颠覆“热力学第二定律”

来源|高分子科学前沿

温度是一种衡量物质热度的物理量，一般来说，粒子运动得越快，温度就越高。有些系统中的粒子只能在有限的几种能量状态之间跳跃且存在一个最高能级，这时候如果给系统加热，让更多的粒子占据最高能级，那么系统的温度就会变成负数。

德国耶拿大学Ulf Peschel课题组和中佛罗里达大学‪Demetrios Christodoulides课题组合作开发出一种光子时间合成网格晶格（photonic time-synthetic mesh lattice）的光学平台。平台由两个长度略有差异的光纤环组成，可以通过调节光脉冲的时序和相位，构造出一个由光子组成的网格结构。平台可以实现对能量状态、跃迁概率、非线性相互作用等网格晶格参数的调节。研究展示了负温度下光子之间的热力学过程，实现负温度下热量从低温流向高温，有望实现超过100%的卡诺效率。热力学第二定律对所有热机的热效率进行了基本的限制。即使是理想的无摩擦发动机也不能将其100%输入热量的任何地方转换成工作，卡诺循环的效率必定小于1。如此，在负温度下，这一切都将被颠覆，有望实现更高效的发动机。相关成果以“Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions”为题发表于《Science》。

热力学试验台示意图

通过控制光子晶格，实现了21种模式的激发，并对其中的10种模式进行研究。作者观测到正温度和负温度，并在实验中验证了理论预测。光经过非线性光纤进行四波混频作用，可以模拟出正温度和负温度条件下，光子之间达到热平衡的过程。由于系统中可用状态的数量是有限的，观测到的负温度状态是稳定的热平衡状态。

观测正温度和负温度

该研究利用光学平台模拟了负温度下光子之间的等压膨胀、等容压缩、绝热膨胀等过程，并且测量了每个过程中光子能量和体积（波长）的变化。等压膨胀时，保持压强不变，光子能量增加而体积减小；等容压缩时，保持体积不变，光子能量减小。在负温度区域，由于低温系统比高温系统具有更高的平均能量密度，热量会从低温流向高温，这些现象与正温度区域相反。这意味着，在负温度区域运行一个类似于卡诺循环的过程，可以实现超过100%的卡诺效率。

负温度下的光学绝热自由膨胀

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