你可能会问，负温度不是应该比零度还要冷吗？其实不然，负温度比任何正温度都要热。这是由于在正温度下，粒子越往高能级跳跃，就越难再往上跳；而在负温度区域，粒子越往低能级跳跃，就越难再往下跳。负温度区域中的粒子已经达到了最大可能的运动速度和混乱程度。

那么，在负温度下会发生什么有趣的事情呢？最近，德国耶拿大学Ulf Peschel课题组和中佛罗里达大学‪Demetrios Christodoulides课题组合作开发了一个光学平台，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。如此说来，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”发表于最新一期Science。

热力学试验台设计

该研究搭建了一种叫做光子时间合成网格晶格（photonic time-synthetic mesh lattice）的光学平台。该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，来构造出一个由光子组成的网格结构。它可以实现对网格晶格参数的调节，比如能量状态、跃迁概率、非线性相互作用等。

热力学试验台示意图

负温度的热平衡状态

通过调节网格晶格参数，可以调整温度和化学势，从而实现正温度和负温度的观测。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。作者观测到了正温度和负温度，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

负温度的奇特现象

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。结果发现，在负温度区域，光子之间存在着一些奇特和反常的现象。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。

这些现象与正温度区域相反，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

小结

这项研究开发了一个光学平台，实现了负温度下光子之间的热力学过程，包括等压膨胀、等容压缩、绝热膨胀等。这些过程展示了负温度下的一些奇特现象，有望实现超过100%的卡诺效率，为探索负温度区域的物理规律和应用提供了一个新的实验平台和方法。随着负温度越来越容易实现，人们可以探索其在纳米级超高效发动机的设计、量子传输设备以及在量子模拟器和计算中等多种领域的应用。

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