Вчені вперше отримали зображення «другого звуку»

Візуалізація другого звуку в Массачусетському технологічному інституті відкриває нові шляхи для розуміння хвилеподібної поведінки тепла в надплинних рідинах і її наслідків для різних станів матерії, розширюючи розуміння вченими теплового потоку в надпровідниках і нейтронних зірках.

У більшості матеріалів тепло воліє розсіюватися. Якщо гарячу точку залишити в спокої, вона поступово згасне, нагріваючись навколо. Але в рідкісних станах матерії тепло може поводитися як хвиля, рухаючись туди-сюди, схоже на звукову хвилю, яка відбивається від одного кінця кімнати до іншого. Насправді це хвилеподібне тепло фізики називають «другим звуком».

Ознаки другого звуку спостерігалися лише в кількох матеріалах. Тепер фізики Массачусетського технологічного інституту вперше зробили прямі зображення другого звуку.

Нові зображення показують, як тепло може рухатися, як хвиля, і «шльопати» туди-сюди, навіть якщо фізична матерія матеріалу може рухатися зовсім іншим шляхом. Зображення фіксують чистий рух тепла, незалежно від частинок матеріалу.

«Це схоже на те, якби у вас був резервуар з водою, а одна половина майже закипіла», — пропонує аналогію доцент Річард Флетчер. «Якщо потім спостерігати, сама вода може виглядати абсолютно спокійною, але раптом інша сторона стає гарячою, а потім інша сторона стає гарячою, і тепло йде туди-сюди, тоді як вода виглядає абсолютно нерухомою».

На чолі з Мартіном Цвірлейном, професором фізики Томаса А. Франка, команда візуалізувала другий звук у надтекучій речовині — особливому стані матерії, який створюється, коли хмара атомів охолоджується до надзвичайно низьких температур, після чого атоми починають текти. як рідина без тертя. У цьому надтекучому стані теоретики передбачили, що тепло також має текти як хвиля, хоча вчені не могли безпосередньо спостерігати це явище досі.

Нові результати, нещодавно опубліковані в журналі Science, допоможуть фізикам отримати повніше уявлення про те, як тепло рухається через надплинні рідини та інші споріднені матеріали, включаючи надпровідники та нейтронні зірки.

«Існує сильний зв’язок між нашим газом, який у мільйон разів тонший за повітря, і поведінкою електронів у високотемпературних надпровідниках і навіть нейтронів у надщільних нейтронних зірках», — каже Цвірлейн. «Тепер ми можемо споконвічно перевірити реакцію нашої системи на температуру, яка вчить нас речам, які дуже важко зрозуміти або навіть досягти».

Співавторами Цвірляйна та Флетчера в дослідженні є перший автор і колишній аспірант фізики Женьцзе Янь і колишні аспіранти фізики Парт Патель і Бісваруп Мукерджі, а також Кріс Вейл з Технологічного університету Свінберна в Мельбурні, Австралія. Дослідники Массачусетського технологічного інституту є частиною Центру ультрахолодних атомів Массачусетського технологічного інституту та Гарварду (CUA).

Супер звук

Коли хмари атомів знижуються до температур, близьких до абсолютного нуля , вони можуть переходити в рідкісні стани речовини. Група Цвірлейна в Массачусетському технологічному інституті досліджує екзотичні явища, які виникають серед ультрахолодних атомів, зокрема ферміонів — частинок, таких як електрони, які зазвичай уникають один одного.

Однак за певних умов ферміони можуть сильно взаємодіяти та об’єднуватися в пари. У цьому пов’язаному стані ферміони можуть текти нетрадиційними шляхами. Для своїх останніх експериментів команда використовує ферміонні атоми літію-6, які захоплені та охолоджені до температур нанокельвінів.

У 1938 році фізик Ласло Тіса запропонував дворідинну модель надтекучості — що надплинна рідина насправді є сумішшю деякої нормальної в’язкої рідини та надплинної рідини без тертя. Ця суміш двох рідин повинна дозволяти два типи звуку, звичайні хвилі щільності та особливі температурні хвилі, які фізик Лев Ландау пізніше назвав «другим звуком».  

Оскільки рідина переходить у надтекучу при певній критичній ультрахолодній температурі, команда Массачусетського технологічного інституту прийшла до висновку, що два типи рідини також мають по-різному транспортувати тепло: у звичайних рідинах тепло має розсіюватися, як зазвичай, тоді як у надплинній рідині воно може рухатися як хвиля, подібно до звуку.

«Другий звук є відмітною ознакою надтекучості, але в ультрахолодних газах поки що ви могли побачити його лише в цьому слабкому відображенні брижів щільності, які супроводжуються цим», — каже Цвірляйн. «Характер хвилі тепла раніше не вдалося довести».

Налаштування

Цвірляйн і його команда намагалися виділити та спостерігати другий звук, хвилеподібний рух тепла, незалежно від фізичного руху ферміонів у їхній надплинній рідині. Вони зробили це, розробивши новий метод термографії — техніку теплового картографування. У звичайних матеріалах можна використовувати інфрачервоні датчики для зображення джерел тепла.

Але при ультранизких температурах гази не випромінюють інфрачервоне випромінювання. Натомість команда розробила метод використання радіочастот, щоб «побачити», як тепло рухається через надплинну рідину. Вони виявили, що ферміони літію-6 резонують на різних радіочастотах залежно від їх температури: коли хмара перебуває при більш високих температурах і несе більше звичайної рідини, вона резонує на вищій частоті. Холодніші області в хмарі резонують на нижчій частоті.

Дослідники застосували вищу резонансну радіочастоту, яка спонукала будь-які нормальні, «гарячі» ферміони в рідині дзвонити у відповідь. Потім дослідники змогли зосередитися на резонуючих ферміонах і відслідковувати їх з плином часу, щоб створити «фільми», які розкривають чистий рух тепла — плескання вперед і назад, подібне до звукових хвиль.

«Вперше ми можемо сфотографувати цю речовину, коли ми охолоджуємо її через критичну температуру надтекучості, і безпосередньо побачити, як вона переходить від нормальної рідини, де тепло врівноважується нудно, до надтекучого, де тепло хлюпає туди-сюди», — каже Цвірляйн.

Експерименти знаменують собою перший випадок, коли вченим вдалося безпосередньо відобразити другий звук і чистий рух тепла в надплинному квантовому газі. Дослідники планують розширити свою роботу, щоб більш точно скласти карту поведінки тепла в інших ультрахолодних газах. Потім вони кажуть, що їх відкриття можна розширити, щоб передбачити, як тепло тече в інших сильно взаємодіючих матеріалах, таких як високотемпературні надпровідники та нейтронні зірки.

«Тепер ми зможемо точно виміряти теплопровідність у цих системах і сподіваємося зрозуміти та спроектувати кращі системи», — підсумовує Цвірляйн.