فيزيائيون يقيسون درجة حرارة الصوت الثاني – عالم الفيزياء

تم تطوير تقنية جديدة لرصد "الصوت الثاني" - وهو نوع غريب من الموجات الحرارية التي تحدث في السوائل الفائقة - من قبل فيزيائيين في الولايات المتحدة. يمكن أن يساعد هذا العمل في وضع نماذج لمجموعة متنوعة من الأنظمة المثيرة للاهتمام علميًا وغير المفهومة جيدًا، بما في ذلك الموصلات الفائقة ذات الحرارة العالية والنجوم النيوترونية.

مصطلح "الصوت الثاني" صاغه الفيزيائي السوفييتي ليف لانداو في الأربعينيات من القرن الماضي بعد أن اقترح زميله لازلو تيسا أن الخصائص الغريبة للهيليوم السائل يمكن تفسيرها من خلال اعتباره خليطًا من سائلين: سائل عادي وسائل فائق السوائل. تدفقت دون الاحتكاك. يؤدي هذا الترتيب إلى احتمال أنه إذا تدفق السائل الفائق والسوائل العادية في اتجاهين متعاكسين، فإن المادة لن تواجه أي اضطراب واضح، ولكن الحرارة سوف تمر عبرها مع ذلك مثل موجة حيث يتغير مكان السائل العادي والسوائل الفائقة.

وبعد ذلك بوقت قصير، أكد فيزيائي سوفيتي آخر، فاسيلي بيشكوف، هذا الأمر تجريبيًا. "لقد كان [بيشكوف] قادرًا حرفيًا على تسخين السائل الفائق بشكل دوري على جانب واحد وقياس توزيع الحرارة مثل موجة واقفة في حاويته"، كما يقول. مارتن زويرلين، عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) الذي قاد الدراسة الجديدة.

في القرن الحادي والعشرين، ظهر علماء الفيزياء مثل زوران حدزيبابيتش من جامعة كامبريدج، المملكة المتحدة؛ ديبورا جين جيلا في بولدر، الولايات المتحدة؛ و وولفجانج كيتيرل قدم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بعدًا جديدًا للبحث الصوتي الثاني من خلال إظهار أن مكثفات بوز-آينشتاين وغازات فيرمي المتفاعلة بقوة تظهر أيضًا خصائص السوائل الفائقة. في سنة 2013 رودولف جريم أصبح من مركز الذرات فائقة البرودة والغازات الكمومية في إنسبروك، النمسا أول من لاحظ الصوت الثاني في مثل هذا النظام. يشرح زويرلاين: "لم يتمكن جريم من رؤية الحرارة، ولكن عندما يكون لديك تدرج حراري في الغاز، يكون هناك أيضًا تدرج كثافة مصاحب لأن الغاز قابل للضغط". "كانت هناك موجة كثيفة متنقلة بسرعة أبطأ بكثير من سرعة الصوت العادي وكان ذلك مرتبطًا بالصوت الثاني."

التصوير المباشر لتدفق الحرارة

في البحث الجديد، قام زويرلاين وزملاؤه بتصوير تدفق الحرارة في غاز فيرمي شديد التفاعل والمكون من ذرات الليثيوم 6 فائقة البرودة. وللقيام بذلك، وضعوا الذرات في صندوق محتمل وقاموا بتشغيل مجال مغناطيسي تم ضبطه بدقة على قيمة مرتبطة بما يسمى رنين فيشباخ في الذرات. عند هذا الرنين، يمكن لذرات الليثيوم -6 الفرميونية الموجودة تحت درجة حرارة حرجة معينة أن تتفاعل مع بعضها البعض على مدى طويل، وتشكل أزواجًا بوسونية بواسطة آلية مشابهة لآلية باردين-كوبر-شريفير في الموصلية الفائقة. يشرح زويرلاين: "إنه أمر مضلل بعض الشيء ولكنه مفيد لفهمنا أولاً، أن نفكر في المائع الفائق باعتباره مكونًا من أزواج، والمكون العادي باعتباره مكونًا من ذرات غير متزاوجة".

بعد ذلك، طبق الباحثون نبضة ترددات راديوية قصيرة (RF) على الغاز. أثار إشعاع التردد اللاسلكي الذرات غير المتزاوجة إلى حالة مختلفة فائقة الدقة، تاركًا الذرات المقترنة دون إزعاج. ثم استخدم الباحثون ضوء الليزر لتصوير مجموعتي الذرات. يوضح زويرلاين: "تنقسم هذه الحالات فائقة الدقة بدرجة كافية بحيث يستجيب مسبارنا البصري فقط للحالات فائقة الدقة المحددة التي اخترناها". «حيث يوجد الكثير من الذرات، نحصل على ظل مظلم؛ حيث لا توجد ذرات تقريبًا، يمر الضوء عبرها. والأهم من ذلك، لأن الغازات الباردة تحتوي على جزء أكبر من الذرات المقترنة التي لا تتأثر بالتردد الراديوي، فإن الصور تحتوي على معلومات حول درجة حرارة الغاز. وبالتالي، تمكن الباحثون من تصوير تدفق الحرارة مباشرة، حتى عندما ظل الوسط ساكنًا.

مسلحين بهذه الأداة الجديدة، أجرى الباحثون عدة قياسات. في أبرد درجات الحرارة، تسبب التسخين المحلي لمنطقة واحدة في حدوث موجات صوتية ثانية قوية. ومع اقتراب الوسط من درجة حرارته الحرجة، أصبحت هذه الموجات أقل أهمية بالنسبة لانتقال الحرارة مقارنة بالانتشار البسيط. وفوق درجة الحرارة الحرجة، اختفت تمامًا. ولاحظ الفريق أيضًا سلوكًا شاذًا عند درجة الحرارة الحرجة. يقول زويرلاين: "الأمر مشابه لأي مرحلة انتقالية مثل غليان الماء في غلاية: ترى فقاعات - الأمور تصبح جنونية". وأخيرًا، قاموا بقياس تخميد الصوت الثاني، والذي ينشأ من حقيقة أنه على الرغم من أن مكون السائل الفائق يتدفق دون احتكاك، فإن السائل العادي لا يتدفق.

الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية والنجوم النيوترونية

يقول الباحثون إن التقنية الجديدة يجب أن تنطبق على مكثفات بوز-آينشتاين أيضًا، ويمكن استخدامها أيضًا لتحليل نموذج فيرمي-هابارد الذي تم تطويره مؤخرًا للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية. علاوة على ذلك، يقترح زويرلاين أن "المادة الموجودة داخل النجم النيوتروني متشابهة جدًا في السلوك، وهو ما يثير الدهشة، لأن هذه النيوترونات تتفاعل أيضًا بقوة شديدة، لذلك نحن نتعلم شيئًا من نفث الغاز في المختبر وهو أرق بمليون مرة من الهواء". شيء عن النجوم النيوترونية المجنونة، والتي يصعب الوصول إليها.

يظهر "الصوت الثاني" في الجرمانيوم

أبدى هادزبابيتش، الذي لم يشارك في الدراسة، إعجابه بهذا الأمر. يقول: "لا يقتصر الأمر على أنهم يقومون بقياس حرارة رائع تحت مستوى النانوكلفن - وهو أمر صعب حتى لو كانت درجة الحرارة هي نفسها في كل مكان - ولكن بالإضافة إلى ذلك يمكنهم القيام بذلك محليًا، وهو أمر أساسي لرؤية هذه الموجة". عالم الفيزياء. "لذلك يمكنهم القول هنا أن درجة الحرارة هنا أكثر سخونة بمقدار نصف نانوكلفن، وهنا، على بعد 20 ميكرون، إنها أكثر برودة بمقدار نصف نانوكلفين." ويقول إنه يتطلع إلى رؤية هذه التقنية تُطبق "في أنظمة لا نعرف عنها الكثير، وحيث يكون النظام بأكمله بعيدًا عن التوازن".

تم نشر البحث في علوم.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/