Licht mit negativer Temperatur

Die Menge von Daten, die in Form optischer Pulse durch Glasfasern geleitet wird, steigt stetig an. Mit der steigenden Dichte der optischen Signale wächst deren Wechsel­wirkung, was zu Daten­verlust führen kann. Physiker der Uni Jena und des College of Optics and Photonics in den USA erforschen gemeinsam, wie sich optische Pulse möglichst exakt kontrollieren lassen, um den Effekt solcher Wechsel­wirkungen zu minimieren. Dazu haben sie ein Ensemble optischer Pulse während seiner Ausbreitung durch eine Glasfaser untersucht und fest­ge­stellt, dass dieses festen Regeln folgt – vor allem denen der Thermo­dynamik.

Das Ergebnis hat die Forscher überrascht. „Wir haben fest­ge­stellt, dass sich die Lichtpulse schon nach etwa hundert Kilometern organi­sieren und sich dann wie Moleküle in einem gewöhn­lichen Gas, wie zum Beispiel Luft, verhalten“, berichtet Ulf Peschel, der Leiter der Gruppe in Jena. In einem Gas bewegen sich die Teilchen unter­schied­lich schnell hin und her. Trotzdem besitzen sie eine mittlere Geschwin­dig­keit, die durch ihre Temperatur bestimmt wird. Lichtpulse rasen zwar mit einer mittleren Geschwin­dig­keit von etwa 200.000 Kilometern pro Sekunde vorwärts durch die Glasfaser, sind aber trotzdem nicht alle gleich schnell. „Die statistische Verteilung ihrer Geschwin­digk­eiten entspricht dabei genau der eines normalen Gases mit einer bestimmten Temperatur“, so Peschel.

Wie die Forscher jetzt erstmalig nach­ge­wiesen haben, kann man dieses Photonengas zum Beispiel durch adiaba­tische Expansion abkühlen. Dabei werden wie in einem echten Gas die Geschwindig­keits­unter­schiede der Teilchen kleiner und die Ordnung in der Signalfolge nimmt auto­matisch zu. Wird der absolute Temperatur­null­punkt von 0 Kelvin erreicht, bewegen sich alle Pulse mit exakt gleicher Geschwin­dig­keit.

Auch der umgekehrte Prozess ist möglich. „Bei einer Erhitzung des optischen Gases nehmen die Geschwin­dig­keits­unter­schiede zu“, erläutert Peschel. Kommen alle Puls­geschwin­dig­keiten gleich oft vor, ist die Unordnung maximal und die Temperatur unendlich – ein Zustand, der in realen Gasen nicht erreicht werden kann, da er unendlich viel Energie erfordern würde. Im Gegensatz dazu lässt sich durch eine periodische Modulation des Brechungs­indexes der Bereich möglicher Aus­breitungs­geschwin­dig­keiten optischer Pulse in der Glasfaser beschränken. So können alle verfüg­baren Geschwin­dig­keiten gleich besetzt und Photonen­gase unend­licher Temperatur präpariert werden. Wird noch mehr Energie zugeführt, werden Zustände hoher Geschwin­dig­keit präferiert – das Photonengas wird heißer als unendlich heiß.

„Für diesen bislang für Licht nur theoretisch beschriebenen Zustand wird mathematisch eine Temperatur unterhalb des absoluten Null­punktes ange­nommen“, sagt Peschel. Er und seine Kollegen konnten ein solches optisches Gas mit negativer Temperatur erzeugen und zum ersten Mal demonstrieren, dass dieses konven­tio­nellen thermo­dyna­mischen Gesetzen folgt. „Unsere Resultate tragen dazu bei, das kollektive Verhalten großer Ensembles optischer Signale besser zu verstehen. Berück­sichtigt man die Thermo­dynamik, kann man die optische Daten­über­tragung zuver­lässiger und robuster machen, zum Beispiel, indem man Puls­ver­tei­lungen so strukturiert, dass sie thermo­dynamischen Verteilungen besser entsprechen.“

FSU Jena / RK
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. L. Marques Muniz et al.: Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions, Science 379, 1019 (2023; DOI: 10.1126/science.ade6523
• Institut für Festkörpertheorie und -optik (U. Peschel), Friedrich-Schiller-Universität Jena
• College of Optics and Photonics, University of Central Florida, Orlando, USA

Weitere Beiträge

• Nichtlineare Optik in kleinsten Dimensionen (Pro-physik.de Nachrichten, 6. Juni 2019)
• U. Peschel, Kugeln aus Licht, Physik Journal, Februar 2011, S. 18 PDF
• H.-G. Unger, Nobelpreis 2009: Charles Kuen Kao – Vater der Glasfaserkommunikation, Physik Journal, Dezember 2009, S. 24 PDF