¿Cómo se ve la radiación de cuerpo negro para los sistemas de temperatura negativa?

Usando la definición termodinámica de temperatura,

1 T = S tu | V , norte

las temperaturas negativas son posibles, en sistemas donde la entropía disminuye cuando se agrega energía. Se han sintetizado algunos ejemplos en el laboratorio, como inversiones de población en sistemas láser y (en términos de grados de libertad de movimiento) manipulando adiabáticamente una colección de átomos fríos usando una resonancia de Feshbach (ver Braun, S.; Ronzheimer, JP; Schreiber, M.; Hodgman, SS; Rom, T.; Bloch, I.; Schneider, U. (2013). "Temperatura absoluta negativa para grados de libertad de movimiento". Science. 339 (6115): 52–55.) .

El resplandor espectral de la radiación de cuerpo negro para un sistema a temperatura T se describe por la ley de Planck:

B ( v , T ) = 2 h v 3 C 2 1 mi h v k T 1

y la luminosidad total, para un cuerpo de área A y emisividad ϵ , se describe mediante la ecuación de Stefan-Boltzmann:

L = σ A ϵ T 4

Está claro que la radiación espectral es negativa cuando conecta temperaturas negativas, mientras que la luminosidad total sigue siendo positiva. ¿Siguen siendo válidas estas ecuaciones para los sistemas de temperatura negativa? Si es así, ¿cómo podemos dar sentido a sus resultados? Si no, ¿con qué los reemplazamos?

Lo mejor es tener en cuenta la derivación de su fórmula para B utiliza una serie geométrica obtenida de una función de partición Z que no convergerá con T < 0 si Z contiene frecuencias arbitrariamente grandes.

Respuestas (1)

La temperatura 'negativa' es una abreviatura útil para describir ciertos tipos de sistemas en los que los niveles de energía permitidos están limitados desde arriba. La noción de temperatura negativa no es la noción habitual de temperatura. Entre otras cosas, no describe sistemas en equilibrio .

Además, la radiación de cuerpo negro solo existe para sistemas que están acoplados al campo electromagnético. Es decir, sistemas que pueden intercambiar calor a través de fotones. Todos esos sistemas en los que puedo pensar en la vida real no tienen límites superiores en los estados de energía, generalmente porque la radiación térmica no tiene límites superiores en la energía. Puede ser posible preparar un sistema que se acople al campo EM y tenga una temperatura 'negativa', pero sería un sistema bastante exótico y tendría que calcular una fórmula especial para su radiación térmica de todos modos.

¿Las inversiones de población en los sistemas láser no están necesariamente acopladas al campo electromagnético?
Editado para mayor claridad. En ese tipo de sistemas, la energía de los fotones no se considera como parte de la energía térmica del sistema.
Además, si esta no es "la noción habitual de temperatura", ¿entonces qué es? Hasta donde yo sabía, la noción de termodinámica era la definición más rigurosa.
Convencionalmente, la relación tu = T S solo describe la temperatura para sistemas en equilibrio.