Οι φυσικοί παίρνουν τη θερμοκρασία του δεύτερου ήχου - Physics World

Μια νέα τεχνική για την παρακολούθηση του «δεύτερου ήχου» - ένα παράξενο είδος κύματος καύσωνα που εμφανίζεται στα υπερρευστά - αναπτύχθηκε από φυσικούς στις ΗΠΑ. Η εργασία θα μπορούσε να βοηθήσει στη μοντελοποίηση μιας ποικιλίας επιστημονικά ενδιαφέροντων και ελάχιστα κατανοητών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας και άστρων νετρονίων.

Ο όρος «δεύτερος ήχος» επινοήθηκε από τον Σοβιετικό φυσικό Lev Landau τη δεκαετία του 1940, αφού ο συνάδελφός του László Tisza πρότεινε ότι οι περίεργες ιδιότητες του υγρού ηλίου θα μπορούσαν να εξηγηθούν θεωρώντας το ως μείγμα δύο ρευστών: ενός κανονικού ρευστού και ενός υπερρευστού που κυλούσε χωρίς τριβές. Αυτή η διάταξη δημιουργεί την πιθανότητα ότι, εάν το υπερρευστό και το κανονικό ρευστό ρέουν σε αντίθετες κατευθύνσεις, το υλικό δεν θα παρουσιάσει καμία εμφανή διαταραχή, αλλά παρόλα αυτά η θερμότητα θα περάσει μέσα από αυτό σαν κύμα όπως τοποθετείται ο διακόπτης κανονικού ρευστού και υπερρευστού.

Λίγο αργότερα, ένας άλλος Σοβιετικός φυσικός, ο Vasilii Peshkov, το επιβεβαίωσε πειραματικά. «Ο Πεσκόφ κυριολεκτικά μπόρεσε να θερμαίνει το υπερρευστό περιοδικά από τη μία πλευρά και να μετρήσει ότι η θερμότητα κατανεμήθηκε σαν στάσιμο κύμα στο δοχείο του», λέει. Martin Zwierlein, ένας φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) που ηγήθηκε της νέας μελέτης.

Στον 21ο αιώνα, φυσικοί όπως Ζόραν Χατζιμπάμπιτς του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, Η.Β. Ντέμπορα Τζιν της JILA στο Boulder, ΗΠΑ. και Βόλφγκανγκ Κέτερλε του MIT εισήγαγε μια νέα διάσταση στην έρευνα δεύτερου ήχου, αποδεικνύοντας ότι τα συμπυκνώματα Bose-Einstein και τα έντονα αλληλεπιδρώντα αέρια Fermi εμφανίζουν επίσης υπερρευστές ιδιότητες. Το 2013 Ρούντολφ Γκριμ του Κέντρου Υπερψυχρού Ατόμων και Κβαντικών Αερίων στο Ίνσμπρουκ της Αυστρίας έγινε ο πρώτος που παρατήρησε δεύτερο ήχο σε ένα τέτοιο σύστημα. «Ο [Grimm] δεν μπορούσε να δει τη θερμότητα, αλλά όποτε έχετε μια διαβάθμιση θερμότητας σε ένα αέριο, υπάρχει επίσης μια συνοδευτική κλίση πυκνότητας επειδή το αέριο είναι συμπιέσιμο», εξηγεί ο Zwierlein. «Υπήρχε ένα κύμα πυκνότητας ταξιδιού με ταχύτητα πολύ πιο αργή από την ταχύτητα του κανονικού ήχου και αυτό συνδέθηκε με τον δεύτερο ήχο».

Απευθείας απεικόνιση της ροής θερμότητας

Στη νέα έρευνα, ο Zwierlein και οι συνεργάτες του απεικόνισαν τη ροή θερμότητας σε ένα ισχυρά αλληλεπιδρώντα αέριο Fermi που αποτελείται από εξαιρετικά ψυχρά άτομα λιθίου-6. Για να το κάνουν αυτό, τοποθέτησαν τα άτομα σε ένα δυναμικό κουτιού και ενεργοποίησαν ένα μαγνητικό πεδίο με ακρίβεια συντονισμένο σε μια τιμή που σχετίζεται με τον λεγόμενο συντονισμό Feshbach στα άτομα. Σε αυτόν τον συντονισμό, τα φερμιονικά άτομα λιθίου-6 κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους σε μεγάλη απόσταση, σχηματίζοντας ζεύγη μποζονίων με έναν μηχανισμό παρόμοιο με τον μηχανισμό Bardeen-Cooper-Schrieffer στην υπεραγωγιμότητα. «Είναι λίγο παραπλανητικό αλλά χρήσιμο για την πρώτη κατανόηση να σκεφτόμαστε το υπερρευστό ως συστατικό ζευγών και το κανονικό συστατικό ως συστατικό μη ζευγαρωμένων ατόμων», εξηγεί ο Zwierlein.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν έναν σύντομο παλμό ραδιοσυχνοτήτων (RF) στο αέριο. Η ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων διεγείρει τα ασύζευκτα άτομα σε μια διαφορετική υπερλεπτή κατάσταση, αφήνοντας τα ζευγαρωμένα άτομα αδιατάρακτα. Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φως λέιζερ για να απεικονίσουν τις δύο ομάδες ατόμων. «Αυτές οι υπερλεπτές καταστάσεις είναι αρκετά χωρισμένες ώστε ο οπτικός μας ανιχνευτής να ανταποκρίνεται μόνο στις συγκεκριμένες υπερλεπτές καταστάσεις που επιλέξαμε», εξηγεί ο Zwierlein. «Όπου υπάρχουν πολλά άτομα, έχουμε μια σκοτεινή σκιά. όπου δεν υπάρχουν σχεδόν άτομα, το φως περνάει». Είναι πολύ σημαντικό, επειδή τα ψυχρότερα αέρια περιέχουν ένα μεγαλύτερο κλάσμα ζευγαρωμένων ατόμων που δεν επηρεάζονται από το RF, οι εικόνες περιέχουν πληροφορίες σχετικά με τη θερμοκρασία του αερίου. Οι ερευνητές μπορούσαν επομένως να απεικονίσουν απευθείας τη ροή θερμότητας, ακόμη και όταν το μέσο παρέμενε ακίνητο.

Οπλισμένοι με αυτό το νέο εργαλείο, οι ερευνητές έκαναν αρκετές μετρήσεις. Στις πιο χαμηλές θερμοκρασίες, η τοπική θέρμανση μιας μόνο περιοχής προκάλεσε ισχυρά δεύτερα ηχητικά κύματα. Καθώς το μέσο πλησίαζε την κρίσιμη θερμοκρασία του, αυτά τα κύματα έγιναν σταδιακά λιγότερο σημαντικά για τη μεταφορά θερμότητας σε σύγκριση με την απλή διάχυση. Πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία, εξαφανίστηκαν εντελώς. Η ομάδα παρατήρησε επίσης ανώμαλη συμπεριφορά στην κρίσιμη θερμοκρασία. "Είναι παρόμοιο για κάθε μετάβαση φάσης όπως το νερό που βράζει σε ένα βραστήρα: βλέπετε φυσαλίδες - τα πράγματα τρελαίνονται", λέει ο Zwierlein. Τέλος, μέτρησαν την απόσβεση του δεύτερου ήχου, η οποία προκύπτει από το γεγονός ότι αν και το υπερρευστό συστατικό ρέει χωρίς τριβή, το κανονικό ρευστό δεν ρέει.

Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας και αστέρια νετρονίων

Οι ερευνητές λένε ότι η νέα τεχνική θα πρέπει να εφαρμοστεί και στα συμπυκνώματα Bose-Einstein, και θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση του πρόσφατα αναπτυγμένου μοντέλου Fermi-Hubbard υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον, ο Zwierlein προτείνει ότι «η ύλη μέσα σε ένα αστέρι νετρονίων είναι πολύ παρόμοια στη συμπεριφορά, παραδόξως, επειδή αυτά τα νετρόνια αλληλεπιδρούν επίσης πολύ έντονα, έτσι μαθαίνουμε κάτι από την ρουφηξιά μας στο εργαστήριο που είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο λεπτό από τον αέρα κάτι για τρελά αστέρια νετρονίων, στα οποία είναι δύσκολο να φτάσουμε».

Ο «δεύτερος ήχος» εμφανίζεται στο γερμάνιο

Ο Hadzibabic, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, είναι εντυπωσιασμένος. «Δεν είναι μόνο ότι κάνουν εξαιρετική θερμομέτρηση κάτω από ένα νανοκέλβιν – το οποίο είναι δύσκολο ακόμα κι αν η θερμοκρασία είναι ίδια παντού – αλλά επιπλέον μπορούν να το κάνουν τοπικά, κάτι που είναι το κλειδί για να δει κανείς αυτό το κύμα», λέει. Κόσμος Φυσικής. «Έτσι μπορούν να πουν εδώ ότι είναι μισό νανοκέλβιν πιο ζεστό και εδώ, 20 μικρά μακριά, είναι μισό νανοκέλβιν πιο κρύο». Λέει ότι ανυπομονεί να δει την τεχνική να εφαρμόζεται «σε συστήματα για τα οποία γνωρίζουμε πολύ λιγότερα και όπου ολόκληρο το σύστημα απέχει πολύ από την ισορροπία».

Η έρευνα δημοσιεύεται στο Επιστήμη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/