Световые импульсы могут вести себя как экзотический газ
В работе, опубликованной в журнале Science, группа под руководством профессора доктора Ульфа Пешеля сообщает об измерениях последовательности импульсов, которые проходят тысячи километров по стеклянным волокнам толщиной всего в несколько микрон. Исследователи были удивлены результатами. «Мы обнаружили, что световые импульсы организуются примерно через сотню километров, а затем ведут себя больше как молекулы обычного газа, такого как, например, воздух», — сообщает профессор Ульф Пешель, руководитель группы в Йене.
Аспирантка Моника Моника у установки, где проводились эксперименты. Предоставлено: Айра Винклер/Jena University
В газе частицы движутся вперед и назад с разными скоростями, но все же они имеют среднюю скорость, определяемую их температурой. Хотя световые импульсы распространяются по стекловолокну со средней скоростью около 200 000 километров в секунду, не все они одинаково быстры. «Статистическое распределение их скоростей точно такое же, как у обычного газа с фиксированной температурой», — говорит Пешель.
Как исследователи впервые продемонстрировали в своей недавней публикации, этот фотонный газ можно охладить, например, с помощью процесса, известного как адиабатическое расширение. Как и в реальном газе, при охлаждении разности скоростей частиц уменьшаются, а порядок в последовательности сигналов автоматически увеличивается. Когда достигается абсолютный нуль температуры 0 градусов Кельвина, все импульсы распространяются с одинаковой скоростью.
Возможен и обратный процесс. «Когда оптический газ нагревается, разница скоростей увеличивается», — объясняет Пешель. Если все скорости импульсов возникают одинаково часто, беспорядок максимален, а температура бесконечна — состояние, которое невозможно достичь в реальном газе, поскольку для этого потребовалось бы бесконечное количество энергии.
«Напротив, периодическая модуляция показателя преломления может ограничить диапазон допустимых скоростей импульса в стеклянном волокне. Таким образом, все доступные скоростные состояния могут быть возбуждены в равной степени, создавая фотонный газ бесконечной температуры. Кроме того, преимущественно заселяются состояния с экстремальными скоростями — фотонный газ становится более горячим, чем бесконечно горячим».
«Для этого состояния, которое до сих пор было описано только теоретически для света, математически предполагается температура ниже абсолютного нуля», — говорит Пешель. Ему и его коллегам удалось создать такой фотонный газ с отрицательной температурой и впервые показать, что он подчиняется обычным законам термодинамики.
«Наши результаты будут способствовать лучшему пониманию коллективного поведения больших ансамблей оптических сигналов. Если мы примем во внимание законы термодинамики, мы сможем сделать оптическую передачу данных более надежной и надежной, например, путем структурирования распределения импульсов для лучшего соответствия тепловое распределение».
