Физики из Германии и США добились режима отрицательной абсолютной температуры при работе с фотонным газом, населяющим двумерную синтетическую решетку. Решетка представляла собой набор мод, различающихся временами прохождения импульсов по двум волоконным петлям различной длины. Ученые впервые исследовали изоэнтропийное и джоулево расширение в отрицательном режиме, убедившись, что наблюдения согласуются с теорией.

Исследование опубликовано в Science.

Понятие температуры позволяет оценить меру нагретости тел. В молекулярно-кинетической теории она вводится как средняя кинетическая энергия частиц, приходящаяся на одну степень свободы. Однако термодинамические системы не ограничиваются лишь движением и вращением. В более общем статистическом подходе температура определяется через производную энтропии по внутренней энергии в минус первой степени. В таком виде температура показывает направление потока энергии между двумя подсистемами, как того требует второй закон термодинамики.

В большинстве систем увеличение энергии сопровождается увеличением доступных микросостояний и, следовательно, энтропии — температура при этом растет и положительна. Однако если в какой-то системе этот принцип нарушается, то есть с ростом энергии число состояний убывает или даже становится равным нулю, физики говорят об отрицательной абсолютной температуре.

Режим отрицательной абсолютной температуры требует пересмотра термодинамических подходов. Так, было показано, что КПД тепловой машины, работающей в таких условиях, может быть выше, чем КПД двигателя Карно. И хотя экспериментаторы уже продемонстрировали отрицательные температуры в спиновых системах, ультрахолодных атомах и двумерных квантовых жидкостях, базовые термодинамические процессы там никто не исследовал.

Закрыть этот пробел решили Андре Маркес Мунис (Andre Marques Muniz) из Йенского университета имени Фридриха Шиллера с коллегами из Германии и США.