Các xung ánh sáng có thể hành xử như khí ngoại lai

Trong thế giới hiện đại của chúng ta, những luồng dữ liệu lớn được truyền tải mỗi ngày, chủ yếu dưới dạng các xung quang lan truyền qua các sợi thủy tinh. Với sự gia tăng một cách đều đặn mật độ của các tín hiệu quang, sự tương tác của chúng cũng gia tăng, có thể dẫn đến sự mất mát dữ liệu.

Các nhà vật lý của trường đại học Jena Friedrich Schiller và trường Quang và Photon học ở Orlando, Florida đã tìm hiểu về cách kiểm soát một số lượng lớn các xung quang càng chính xác càng tốt để giảm thiểu hiệu ứng xảy ra trong những tương tác đó. Họ đã giám sát một tập hợp các xung quang khi chúng lan truyền qua một sợi thủy tin và phát hiện ra là chúng vẫn tuân theo các quy luật đã có, chủ yếu là lực nhiệt động lực học.

Trong công trình xuất bản trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu do giáo sư Ulf Peschel đã nêu những phép đo đạc trên một dãy các xung di chuyển qua hàng ngàn ki lô mét xuyên qua các sợi thủy tinh mỏng chỉ vài micron 1.

Các nhà nghiên cứu đã vô cùng ngạc nhiên trước kết quả này. “Chúng tôi đã thấy là các xung ánh sáng tự tập hợp sau khi đi qua một trăm ki lô mét, sau đó hành xử như những phân tử của một khí tiêu chuẩn”, giáo sư Ulf Peschel, người dẫn dắt nhóm nghiên cứu ở Jena, nhận xét.

Trong một khí, các hạt chuyển động qua lại với các tốc độ khác nhau nhưng chúng lại có vận tốc liên quan đến nhiệt độ của chính mình. Dẫu cho các xung ánh sáng lan truyền qua sợi thủy tinh tại tốc độ trung bình khoảng 200.000 ki lô mét mỗi giây, chúng lại không nhanh như nhau. “Sự phân bố của vận tốc về mặt thống kê một khí tiêu chuẩn chỉ thực sự ngang bằng nhau khi có thể ổn định được nhiệt độ”, Peschel nói.

Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên chứng minh được khí photon này có thể được làm lạnh bằng một quá trình mà người ta gọi là quá trình đoạn nhiệt (adiabatic expansion). Vì trong một khí thực, sự khác nhau của vận tốc hạt suy giảm khi lạnh đi và trật tự trong chuỗi tín hiệu tự động gia tăng. Khi chạm đến mức nhiệt độ tuyệt đối zero của 0 Kelvin, tất cả các xung lan truyền chính xác cùng một vận tốc như nhau.

Cũng có thể đảo ngược quá trình này. “Khi khí quang được gia nhiệt, sự khác biệt của vận tốc gia tăng”, Peschel giải thích. Nếu tất cả các vận tốc xung xuất hiện một cách bình đẳng như nhau, sự hỗn độn sẽ lên tới cực đại và nhiệt độ vô hạn – một trạng thái không thể chạm đến trong một khí thực vì nó có thể đòi hỏi một vô hạn về năng lượng.

“Tương phản với điều đó, một sự biến điệu tuần hoàn của hệ số khúc xạ có thể giới hạn phạm vi của các vận tốc xung cho phép trong sợi thủy tinh. Theo cách này, tất cả các trạng thái vận tốc hiện hữu có thể được kích thích một cách ngang bằng, qua đó tạo ra một khí photon có nhiệt độ vô hạn. Ngay cả khi năng lượng được tăng thêm thì các trạng thái vận tốc cực đoan vẫn là phổ biến – khí photon trở nên nóng hơn cả mức nóng vô hạn”.

“Với trạng thái này, vốn chỉ được miêu tả về mặt lý thuyết, một mức nhiệt độ dưới zero tuyệt đối có thể được giả định về mặt toán học”, Peschel cho biết. Ông và các đồng nghiệp của mình đã có thể tạo ra khí photon gas có nhiệt độ âm và chứng tỏ lần đầu tiên là nó tuân theo các lực nhiệt động học thông thường.

“Kết quả của chúng tôi sẽ đóng góp vào hiểu biết chung về hành xử thu thập của các tập hợp tín hiệu quang lớn. Nếu chúng tôi đưa lực nhiệt động học vào, chúng tôi có thể khiến cho việc chuyển dữ liệu quang trở nên nhanh hơn và thực tế hơn, ví dụ bằng việc cấu trúc các phân bố xung gắn tốt hơn với các phân bố nhiệt của chúng”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-03-pulses-exotic-gas.html

https://www.uni-jena.de/en/230310-licht-mit-temperatur

—————————————

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6523

Tác giả