Кіріспе
Физикалық жүйелер басқа кез келген жүйеден ыстық. Кейбір жүйелер теріс термодинамикалық температураға жете алады; яғни, олардың температурасы Кельвин немесе Ранкин шкалаларында теріс сан ретінде көрсетілуі мүмкін. Бұл, термодинамикалық емес Цельсий немесе Фаренгейт шкалаларында теріс сандар ретінде көрсетілген температуралардан ерекшеленеді, олар абсолютті нөлден жоғары болады. Кельвин шкаласындағы нағыз теріс температурасы бар жүйе, оң температурасы бар кез келген жүйеден ыстық. Егер теріс температуралы жүйе мен оң температуралы жүйе жанасса, жылу теріс температуралы жүйeden оң температуралы жүйеге ағады. Мұндай жүйенің классикалық мысалы – лазер физикасындағы популяция инверсиясы. Фазалық кеңістігі шексіз термодинамикалық жүйелер теріс температураға жете алмайды: жылу қосу олардың энтропиясын әрқашан арттырады. Энергияның артуымен энтропияның төмендеу мүмкіндігі жүйенің энтропияда "қанығуына" жағдай жасайды. Бұл тек жоғары энергиялы күйлердің саны шектеулі болған жағдайда ғана мүмкін. Атомдар немесе шаң сияқты қалыпты (кванттық немесе классикалық) бөлшектер жүйесі үшін жоғары энергиялы күйлердің саны шексіз (бөлшектің импульсін қағида бойынша шексіз арттыруға болады). Дегенмен, кейбір жүйелерде (төмендегі мысалдарды қараңыз) олар ұстай алатын энергияның максималды мөлшері болады, және олар осы максималды энергияға жақындағанда олардың энтропиясы азая бастайды.
Certain systems can achieve negative thermodynamic temperature; that is, their temperature can be expressed as a negative quantity on the Kelvin or Rankine scales. This should be distinguished from temperatures expressed as negative numbers on non thermodynamic Celsius or Fahrenheit scales, which are nevertheless higher than absolute zero. A system with a truly negative temperature on the Kelvin scale is hotter than any system with a positive temperature. If a negative temperature system and a positive temperature system come in contact, heat will flow from the negative to the positive temperature system. A standard example of such a system is population inversion in laser physics. Thermodynamic systems with unbounded phase space cannot achieve negative temperatures: adding heat always increases their entropy. The possibility of a decrease in entropy as energy increases requires the system to "saturate" in entropy. This is only possible if the number of high energy states is limited. For a system of ordinary (quantum or classical) particles such as atoms or dust, the number of high energy states is unlimited (particle momenta can in principle be increased indefinitely). Some systems, however (see the examples below), have a maximum amount of energy that they can hold, and as they approach that maximum energy their entropy actually begins to decrease.
Қозғалыс еркіндік дәрежесі
Теріс температуралар қозғалыс еркіндік дәрежесінде де қол жеткізілді. Оптикалық торды пайдалану арқылы 39-сылут калий атомдарының кинетикалық энергиясы, өзара әрекеттесу энергиясы және потенциалдық энергиясына жоғарғы шектер қойылды. Бұл атомдардың өзара әрекеттесуін Фешбах резонансын қолдану арқылы итергіштен тартымдыға қарай өзгерту және жалпы гармоникалық потенциалды тұтқыннан анти-тұтқынға ауыстыру арқылы жасалды, осылайша Боз-Хаббард гамильтонианы Ĥ → −Ĥ болып түрлендірілді. Бұл түрлендіруді адиабатикалық түрде жүзеге асырып, атомдарды Мотт оқшаулағыш режимінде ұстап тұрғанда, төмен энтропиялы оң температуралық күйден төмен энтропиялы теріс температуралық күйге өтуге болады. Теріс температуралық күйде атомдар макроскопиялық түрде тордың максималды импульс күйін иеленеді. Теріс температуралық жиынтықтар тепе-теңдікке келді және анти-тұтқын гармоникалық потенциалында ұзақ өмір сүрді.
Екі өлшемді айналымдық қозғалыс
Белгілі бір ауданға шектелген екі өлшемді құйын жүйелері теріс температурада термиялық тепе-теңдік күйін қалыптастыра алады, және шындығында теріс температура күйлері алғаш рет Онсагер классикалық нүктелік құйындарды талдау барысында болжаған. Онсагердің болжамы 2019 жылы Бозе-Эйнштейн конденсатындағы кванттық құйын жүйесі арқылы тәжірибелік түрде расталды.