Physiker messen die Temperatur des zweiten Schalls – Physics World

Physiker messen die Temperatur des zweiten Schalls – Physics World

Zeitstempel: 13. Februar 2024, 10:09 Uhr

Bild mit pinkfarbenen und orangefarbenen Pfeilen, die den Wärmefluss durch ein Gitter aus atomähnlichen Kugeln darstellen
Winken Sie im Vorbeigehen: Der Begriff „zweiter Schall“ bezieht sich auf die Bewegung von Wärme durch ein Suprafluid. (Mit freundlicher Genehmigung: Jose-Luis Olivares, MIT)

Eine neue Technik zur Überwachung des „zweiten Schalls“ – einer bizarren Art von Hitzewelle, die in Supraflüssigkeiten auftritt – wurde von Physikern in den USA entwickelt. Die Arbeit könnte dazu beitragen, eine Vielzahl wissenschaftlich interessanter und wenig verstandener Systeme zu modellieren, darunter Hochtemperatursupraleiter und Neutronensterne.

Der Begriff „zweiter Schall“ wurde in den 1940er Jahren vom sowjetischen Physiker Lev Landau geprägt, nachdem sein Kollege László Tisza vorgeschlagen hatte, dass die bizarren Eigenschaften von flüssigem Helium dadurch erklärt werden könnten, dass man es als eine Mischung aus zwei Flüssigkeiten betrachtet: einer normalen Flüssigkeit und einer Superflüssigkeit floss ohne Reibung. Diese Anordnung führt zu der Möglichkeit, dass, wenn das Suprafluid und das normale Fluid in entgegengesetzte Richtungen fließen, das Material keine offensichtliche Störung erfährt, die Wärme aber dennoch wie eine Welle durch das Material strömt, wenn das normale Fluid und das Suprafluid ihren Platz wechseln.

Kurz darauf bestätigte ein anderer sowjetischer Physiker, Wassilii Peschkow, dies experimentell. „Er [Peshkov] war buchstäblich in der Lage, das Suprafluid periodisch auf einer Seite zu erhitzen und zu messen, dass sich die Wärme wie eine stehende Welle in seinem Behälter verteilte“, sagt er Martin Zweierlein, ein Physiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT), der die neue Studie leitete.

Im 21. Jahrhundert haben Physiker wie Zoran Hadzibabic der University of Cambridge, Großbritannien; Debora Jin von JILA in Boulder, USA; Und Wolfgang Ketterle vom MIT eröffnete der Second-Sound-Forschung eine neue Dimension, indem er zeigte, dass Bose-Einstein-Kondensate und stark wechselwirkende Fermi-Gase ebenfalls supraflüssige Eigenschaften aufweisen. Im Jahr 2013 Rudolf Grimm vom Zentrum für Ultrakalte Atome und Quantengase in Innsbruck, Österreich, war der erste, der einen zweiten Schall in einem solchen System beobachtete. „[Grimm] konnte die Wärme nicht sehen, aber wann immer es in einem Gas einen Wärmegradienten gibt, gibt es auch einen begleitenden Dichtegradienten, weil das Gas komprimierbar ist“, erklärt Zwierlein. „Es gab eine sich ausbreitende Dichtewelle mit einer Geschwindigkeit, die viel langsamer als die Geschwindigkeit des normalen Schalls war, und das war mit dem zweiten Schall verbunden.“

Direkte Abbildung des Wärmeflusses

In der neuen Forschung stellten Zwierlein und Kollegen den Wärmefluss in einem stark wechselwirkenden Fermi-Gas dar, das aus ultrakalten Lithium-6-Atomen besteht. Dazu platzierten sie die Atome in einem Boxpotential und schalteten ein Magnetfeld ein, das genau auf einen Wert abgestimmt war, der mit einer sogenannten Feshbach-Resonanz in den Atomen verbunden ist. Bei dieser Resonanz können fermionische Lithium-6-Atome unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur über große Entfernungen miteinander interagieren und nach einem Mechanismus, der dem Bardeen-Cooper-Schrieffer-Mechanismus in der Supraleitung ähnelt, bosonische Paare bilden. „Es ist etwas irreführend, aber für das erste Verständnis hilfreich, sich das Suprafluid als Komponente von Paaren und die Normalkomponente als Komponente von ungepaarten Atomen vorzustellen“, erklärt Zwierlein.

Animation des normalen oder ersten Schalls in einer Flüssigkeit und einer Supraflüssigkeit, die Wellen in beiden zeigt, wobei Spitzen und Täler zusammenfallen

Animation des zweiten Schalls in einer Flüssigkeit und einer Superflüssigkeit, die zeigt, wie die Superflüssigkeit hin und her schwappt und mit der Flüssigkeit den Ort wechselt, während die Oberfläche ungestört ist
Hört sich gut an: Diese einfache Animation stellt gewöhnlichen Schall (Dichtewellen, in denen normale Flüssigkeit und Supraflüssigkeit gemeinsam schwingen) und zweiten Schall gegenüber, bei dem es sich um die Bewegung von Wärme handelt, wenn Superflüssigkeit und normale Flüssigkeit gegeneinander „schwappen“, während die Dichte konstant bleibt. (Mit freundlicher Genehmigung von Zhenjie Yan)

Als nächstes richteten die Forscher einen kurzen Hochfrequenzimpuls (RF) auf das Gas. Die HF-Strahlung regte die ungepaarten Atome in einen anderen Hyperfeinzustand an, sodass die gepaarten Atome ungestört blieben. Anschließend verwendeten die Forscher Laserlicht, um die beiden Atomgruppen abzubilden. „Diese Hyperfeinzustände sind so gespalten, dass unsere optische Sonde nur auf die von uns ausgewählten Hyperfeinzustände reagiert“, erklärt Zwierlein. „Wo viele Atome sind, bekommen wir einen dunklen Schatten; Wo es fast keine Atome gibt, dringt das Licht durch.“ Da kältere Gase einen größeren Anteil gepaarter Atome enthalten, die von der HF nicht beeinflusst werden, ist es entscheidend, dass die Bilder Informationen über die Temperatur des Gases enthalten. So konnten die Forscher den Wärmefluss direkt abbilden, selbst wenn das Medium stillsteht.

Mit diesem neuen Werkzeug führten die Forscher mehrere Messungen durch. Bei den kältesten Temperaturen verursachte die lokale Erwärmung einer einzelnen Region starke zweite Schallwellen. Als sich das Medium seiner kritischen Temperatur näherte, verloren diese Wellen für die Wärmeübertragung im Vergleich zur einfachen Diffusion allmählich an Bedeutung. Oberhalb der kritischen Temperatur verschwanden sie vollständig. Das Team beobachtete auch anomales Verhalten bei der kritischen Temperatur. „Bei jedem Phasenübergang ist es ähnlich wie beim Kochen von Wasser im Wasserkocher: Man sieht Blasen – die Dinge spielen verrückt“, sagt Zwierlein. Schließlich maßen sie die Dämpfung des zweiten Schalls, die dadurch entsteht, dass die supraflüssige Komponente zwar ohne Reibung fließt, die normale Flüssigkeit jedoch nicht.

Hochtemperatursupraleiter und Neutronensterne

Die Forscher sagen, dass die neue Technik auch auf Bose-Einstein-Kondensate anwendbar sein sollte und auch zur Analyse des kürzlich entwickelten Fermi-Hubbard-Modells der Hochtemperatursupraleitung verwendet werden könnte. Darüber hinaus weist Zwierlein darauf hin, dass „sich die Materie im Inneren eines Neutronensterns überraschenderweise sehr ähnlich verhält, da diese Neutronen auch sehr stark wechselwirken, sodass wir etwas aus unserer Gaswolke im Labor lernen, die eine Million Mal dünner als Luft ist.“ etwas über verrückte Neutronensterne, die schwer zu erreichen sind.“

Hadzibabic, der nicht an der Studie beteiligt war, ist beeindruckt. „Sie leisten nicht nur großartige Thermometrie unter einem Nanokelvin – was schwierig ist, selbst wenn die Temperatur überall gleich ist –, sondern sie können dies auch lokal tun, was für das Erkennen dieser Welle von entscheidender Bedeutung ist“, erzählt er Physik-Welt. „Sie können also sagen, dass es hier ein halbes Nanokelvin heißer ist und hier, 20 Mikrometer entfernt, ein halbes Nanokelvin kälter.“ Er sagt, er freue sich darauf, die Technik „in Systemen anzuwenden, über die wir viel weniger wissen und in denen das gesamte System weit vom Gleichgewicht entfernt ist“.

Die Forschung wird veröffentlicht in Wissenschaft.

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