Fysikere tager temperaturen af ​​anden lyd – Physics World

Fysikere tager temperaturen af ​​anden lyd – Physics World

Tidsstempel: 13. februar 2024 kl. 10:09

Billede, der viser lyserøde og orange pile, der repræsenterer varmestrømmen gennem et gitter af atomlignende kugler
Bølge mens du går forbi: Udtrykket "anden lyd" refererer til bevægelsen af ​​varme gennem en superfluid. (Med høflighed: Jose-Luis Olivares, MIT)

En ny teknik til at overvåge "anden lyd" - en bizar type hedebølge, der forekommer i supervæsker - er blevet udviklet af fysikere i USA. Arbejdet kunne hjælpe med at modellere en række videnskabeligt interessante og dårligt forståede systemer, herunder højtemperatursuperledere og neutronstjerner.

Udtrykket "anden lyd" blev opfundet af den sovjetiske fysiker Lev Landau i 1940'erne, efter at hans kollega László Tisza foreslog, at flydende heliums bizarre egenskaber kunne forklares ved at betragte det som en blanding af to væsker: en normal væske og en supervæske, der flød uden friktion. Dette arrangement giver anledning til muligheden for, at hvis superfluid og normal fluid strømmer i modsatte retninger, vil materialet ikke opleve nogen tilsyneladende forstyrrelse, men varme vil ikke desto mindre passere gennem det som en bølge, når den normale fluid og superfluid skifter sted.

Kort efter bekræftede en anden sovjetisk fysiker, Vasilii Peshkov, dette eksperimentelt. "Han [Peshkov] var bogstaveligt talt i stand til at opvarme supervæsken periodisk på den ene side og måle, at varmen blev fordelt som en stående bølge i hans beholder," siger Martin Zwierlein, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), der ledede den nye undersøgelse.

I det 21. århundrede var fysikere som f.eks Zoran Hadzibabic fra University of Cambridge, UK; Deborah Jin af JILA i Boulder, USA; og Wolfgang Ketterle fra MIT introducerede en ny dimension til anden lydforskning ved at demonstrere, at Bose-Einstein-kondensater og stærkt interagerende Fermi-gasser også udviser superfluid-egenskaber. I 2013 Rudolf Grimm fra Center for Ultracold Atoms and Quantum Gases i Innsbruck, Østrig blev den første til at observere anden lyd i et sådant system. "[Grimm] kunne ikke se varmen, men hver gang du har en varmegradient i en gas, er der også en medfølgende tæthedsgradient, fordi gassen er komprimerbar," forklarer Zwierlein. "Der var en rejsetæthedsbølge med en hastighed meget langsommere end hastigheden af ​​normal lyd, og det var forbundet med anden lyd."

Direkte billeddannelse af varmeflow

I den nye forskning afbildede Zwierlein og kolleger varmestrøm i en stærkt interagerende Fermi-gas sammensat af ultrakolde lithium-6-atomer. For at gøre dette placerede de atomerne i et kassepotentiale og tændte for et magnetfelt, der var præcist indstillet til en værdi forbundet med en såkaldt Feshbach-resonans i atomerne. Ved denne resonans kan fermioniske lithium-6-atomer under en vis kritisk temperatur interagere med hinanden på lang rækkevidde og danne bosoniske par ved en mekanisme, der ligner Bardeen-Cooper-Schrieffer-mekanismen i superledningsevne. "Det er lidt misvisende, men nyttigt for første forståelse at tænke på superfluiden som komponenten af ​​par og den normale komponent som komponenten af ​​uparrede atomer," forklarer Zwierlein.

Animation af normal eller første lyd i en væske og en superfluid, der viser bølger i både med toppe og lavpunkter, der falder sammen

Animation af anden lyd i en væske og en superfluid, der viser superfluiden, der skvulper frem og tilbage og skifter plads med væsken, mens overfladen er uforstyrret
Lyder godt: Denne simple animation kontrasterer almindelig lyd (densitetsbølger, hvori normal væske og superfluid svinger sammen) og anden lyd, som er varmebevægelsen, når superfluid og normal væske "slynger" mod hinanden, mens densiteten efterlades konstant. (Med høflighed: Zhenjie Yan)

Dernæst påførte forskerne en kort radiofrekvens (RF) puls på gassen. RF-strålingen exciterede de uparrede atomer til en anden hyperfin tilstand, hvilket efterlod de parrede atomer uforstyrrede. Forskerne brugte derefter laserlys til at afbilde de to grupper af atomer. "Disse hyperfine tilstande er splittet nok til, at vores optiske sonde kun reagerer på de særlige hyperfine tilstande, som vi valgte," forklarer Zwierlein. ”Hvor der er masser af atomer, får vi en mørk skygge; hvor der næsten ingen atomer er, passerer lyset igennem." Afgørende, fordi koldere gasser indeholder en større del af parrede atomer, der er upåvirket af RF, indeholder billederne information om gassens temperatur. Forskerne kunne derfor afbilde varmestrømmen direkte, selv når mediet forblev stille.

Bevæbnet med dette nye værktøj foretog forskerne adskillige målinger. Ved de koldeste temperaturer forårsagede lokal opvarmning af et enkelt område stærke sekundære lydbølger. Efterhånden som mediet nærmede sig sin kritiske temperatur, blev disse bølger gradvist mindre betydningsfulde for varmeoverførsel sammenlignet med simpel diffusion. Over den kritiske temperatur forsvandt de helt. Holdet observerede også unormal adfærd ved den kritiske temperatur. "Det er det samme for enhver faseovergang som vand, der koger i en kedel: du ser bobler - tingene går amok," siger Zwierlein. Til sidst målte de dæmpningen af ​​den anden lyd, som opstår ved, at selvom den overskydende komponent strømmer friktion, gør den normale væske det ikke.

Højtemperatur-superledere og neutronstjerner

Forskerne siger, at den nye teknik også bør gælde for Bose-Einstein-kondensater, og den kan også bruges til at analysere den nyligt udviklede Fermi-Hubbard-model af højtemperatur-superledning. Desuden foreslår Zwierlein, at "stoffet inde i en neutronstjerne er meget ens i adfærd, overraskende nok, fordi disse neutroner også interagerer meget stærkt, så vi lærer noget af vores pust af gas i laboratoriet, som er en million gange tyndere end luft noget om skøre neutronstjerner, som er svære at komme til.”

Hadzibabic, som ikke var involveret i undersøgelsen, er imponeret. "Det er ikke kun, at de laver fantastisk termometri under en nanokelvin - hvilket er svært, selvom temperaturen er den samme overalt - men derudover kan de gøre det lokalt, hvilket er nøglen til at se denne bølge," fortæller han Fysik verden. "Så de kan sige, at her er det en halv nanokelvin varmere, og her, 20 mikron væk, er det en halv nanokelvin koldere." Han siger, at han ser frem til at se teknikken anvendt "i systemer, som vi ved langt mindre om, og hvor hele systemet er langt fra ligevægt".

Forskningen er offentliggjort i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden