_ Fizicienii captează primele sunete ale zgomotului de căldură ' într-un superfluid, dezvăluind modul în care căldura se poate mișca ca un val

În majoritatea materialelor, căldura preferă să se împrăștie. Dacă este lăsat singur, un punct fierbinte se va estompa treptat pe măsură ce își încălzește împrejurimile. Dar în stări rare ale materiei, căldura se poate comporta ca un val, mișcându-se înainte și înapoi oarecum ca o undă sonoră care sare de la un capăt la altul al unei încăperi. De fapt, această căldură asemănătoare unui val este ceea ce fizicienii numesc „al doilea sunet”.

Semnele celui de-al doilea sunet au fost observate doar în câteva materiale. Acum, fizicienii de la MIT au capturat pentru prima dată imagini directe ale celui de-al doilea sunet.

Noile imagini dezvăluie cum căldura se poate mișca ca un val și „sloz” înainte și înapoi, chiar dacă materia fizică a unui material se poate mișca într-un mod cu totul diferit. Imaginile surprind mișcarea pură a căldurii, independentă de particulele unui material.

„Este ca și cum ai avea un rezervor de apă și ai fi făcut ca jumătate să fiarbă”, oferă profesorul asistent Richard Fletcher ca analogie. „Dacă ați urmărit apoi, apa în sine ar putea părea total calmă, dar dintr-o dată cealaltă parte este fierbinte, apoi cealaltă parte este fierbinte, iar căldura merge înainte și înapoi, în timp ce apa pare complet nemișcată.”

Condusă de Martin Zwierlein, profesorul de fizică Thomas A Frank, echipa a vizualizat al doilea sunet într-un superfluid - o stare specială a materiei care este creată atunci când un nor de atomi este răcit la temperaturi extrem de scăzute, moment în care atomii începe să curgă ca un fluid complet fără frecare. În această stare superfluid, teoreticienii au prezis că și căldura ar trebui să curgă ca un val, deși oamenii de știință nu au putut observa direct fenomenul până acum.

Noile rezultate, raportate în revista Science, vor ajuta fizicienii obțin o imagine mai completă a modului în care căldura se mișcă prin superfluide și alte materiale înrudite, inclusiv supraconductori și stele neutronice.

„Există conexiuni puternice între puful nostru de gaz, care este de un milion de ori mai subțire decât aerul, și comportamentul electronilor în supraconductorii de înaltă temperatură și chiar neutronii din stele ultradense cu neutroni”, spune Zwierlein. „Acum putem analiza cu claritate răspunsul la temperatură al sistemului nostru, care ne învață despre lucruri la care sunt foarte greu de înțeles sau chiar de atins.”

Co-autori Zwierlein și Fletcher ai studiului sunt primul autor și foști. studentul absolvent de fizică Zhenjie Yan și foști studenți absolvenți la fizică Parth Patel și Biswaroop Mikherjee, împreună cu Chris Vale la Universitatea de Tehnologie Swinburne din Melbourne, Australia. Cercetătorii MIT fac parte din Centrul MIT-Harvard pentru Atomi Ultrareci (CUA).

Atunci când norii de atomi sunt aduși la temperaturi apropiate de zero absolut, aceștia pot trece în stări rare ale materiei. Grupul lui Zwierlein de la MIT explorează fenomenele exotice care apar printre atomii ultrareci și, în special, fermionii - particule, cum ar fi electronii, care se evită în mod normal unul pe celălalt.

În anumite condiții, totuși, fermionii pot fi transformați puternic. interacționați și faceți pereche. În această stare cuplată, fermionii pot curge în moduri neconvenționale. Pentru ultimele lor experimente, echipa folosește atomi fermionici de litiu-6, care sunt prinși și răciți la temperaturi nanokelvin.

În 1938, fizicianul László Tisza a propus un model cu două fluide pentru superfluiditate - că un superfluid este de fapt, un amestec de lichid normal, vâscos și un superfluid fără frecare. Acest amestec de două fluide ar trebui să permită două tipuri de sunet, unde de densitate obișnuită și unde de temperatură deosebite, pe care fizicianul Lev Landau le-a numit mai târziu „al doilea sunet”.

Deoarece un fluid trece într-un superfluid la o anumită temperatură critică, ultrarece, echipa MIT a motivat că cele două tipuri de fluid ar trebui să transporte căldură în mod diferit: în fluidele normale, căldura ar trebui să se disipeze ca de obicei, în timp ce în un superfluid, s-ar putea mișca ca o undă, în mod similar sunetului.

„Al doilea sunet este semnul distinctiv al superfluidității, dar în gazele ultrareci până acum îl puteai vedea doar în această reflexie slabă a ondulațiilor de densitate care mergi de acord cu asta”, spune Zwierlein. „Caracterul valului de căldură nu a putut fi dovedit înainte.”

Zwierlein și echipa sa au căutat să izoleze și să observe al doilea sunet, mișcarea de căldură sub formă de val, independent de mișcarea fizică a fermionilor în lor. superfluid. Au făcut acest lucru prin dezvoltarea unei noi metode de termografie - o tehnică de cartografiere termică. În materialele convenționale s-ar folosi senzori cu infraroșu pentru a vizualiza sursele de căldură.

Dar la temperaturi ultrareci, gazele nu emit radiații infraroșii. În schimb, echipa a dezvoltat o metodă de utilizare a frecvenței radio pentru a „vedea” cum se mișcă căldura prin superfluid. Ei au descoperit că fermionii de litiu-6 rezonează la frecvențe radio diferite, în funcție de temperatura lor: când norul este la temperaturi mai calde și transportă mai mult lichid normal, rezonează la o frecvență mai mare. Regiunile din nor care sunt mai reci rezonează la o frecvență mai mică.

Cercetătorii au aplicat frecvența radio de rezonanță mai mare, ceea ce a determinat ca orice fermion normal, „fierbinte” din lichid să sune ca răspuns. Apoi, cercetătorii au reușit să se concentreze asupra fermionilor care rezonează și să-i urmărească de-a lungul timpului pentru a crea „filme” care au dezvăluit mișcarea pură a căldurii – o mișcare înainte și înapoi, similară undelor de sunet.

„Pentru pentru prima dată, putem face fotografii acestei substanțe pe măsură ce o răcim prin temperatura critică a superfluidității și să vedem direct cum trece de la a fi un fluid normal, unde căldura se echilibrează plictisitor, la un superfluid în care căldura zvâcnește înainte și înapoi", Zwierlein. spune.

Experimentele marchează prima dată când oamenii de știință au reușit să imagineze direct al doilea sunet și mișcarea pură a căldurii într-un gaz cuantic superfluid.

Cercetătorii intenționează să extindă. munca lor de a mapa mai precis comportamentul căldurii în alte gaze ultrareci. Apoi, ei spun că descoperirile lor pot fi extinse pentru a prezice modul în care căldura curge în alte materiale care interacționează puternic, cum ar fi în supraconductori de temperatură înaltă și în stele neutronice.

„Acum vom putea măsura cu precizie. conductivitatea termică a acestor sisteme și sperăm să înțelegem și să proiectăm sisteme mai bune”, conchide Zwierlein.

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetarea, inovarea și predarea MIT.

(Fluierul)