光脉冲可以表现得像一种外来气体

在发表在《科学》杂志上的工作中，由Ulf Peschel教授领导的研究小组报告了对一系列脉冲的测量结果，这些脉冲通过只有几微米薄的玻璃纤维传播数千公里。研究人员对结果感到惊讶。

“我们发现光脉冲在大约一百公里后会自我组织起来，然后表现得更像常规气体的分子，例如空气，”耶拿小组负责人Ulf Peschel教授报告说。

在气体中，粒子以不同的速度来回移动，但它们仍然具有由其温度定义的平均速度。虽然光脉冲以平均每秒200，000公里的速度在玻璃纤维中传播，但它们的速度并不完全相同。“它们速度的统计分布完全等于具有固定温度的传统气体，”Peschel说。

正如研究人员在最近的出版物中首次证明的那样，这种光子气体可以通过称为绝热膨胀的过程进行冷却。与在真实气体中一样，颗粒的速度差在冷却过程中减小，信号序列中的顺序自动增加。当达到0开尔文的绝对温度零点时，所有脉冲都以完全相同的速度传播。

反向过程也是可能的。“当光学气体被加热时，速度差异会增加，”Peschel解释说。如果所有脉冲速度发生的频率相同，则无序处于最大值，温度是无限的 - 这种状态在真正的气体中无法达到，因为它需要无限量的能量。

“相比之下，折射率的周期性调制会限制玻璃纤维中允许的脉冲速度范围。通过这种方式，所有可用的速度状态都可以被同等激发，从而产生无限温度的光子气体。如果增加更多的能量，就会优先填充极端速度的状态——光子气体变得比无限热更热。

“对于这种状态，到目前为止只在理论上描述了光，数学上假设温度低于绝对零度，”Peschel说。他和他的同事们现在已经能够创造出这种负温度的光子气体，并首次表明它遵守传统的热力学定律。

“我们的研究结果将有助于更好地理解大型光信号集合的集体行为。如果我们考虑到热力学定律，我们可以使光学数据传输更加稳健和可靠，例如通过构建脉冲分布以更好地匹配热分布。