Los físicos miden la temperatura del segundo sonido – Physics World

Los físicos miden la temperatura del segundo sonido – Physics World

Marca de tiempo: 13 de febrero de 2024 10:09 AM

Imagen que muestra flechas de color rosa intenso y naranja que representan el flujo de calor a través de una cuadrícula de esferas similares a átomos.
Saluda al pasar: El término “segundo sonido” se refiere al movimiento del calor a través de un superfluido. (Cortesía: José-Luis Olivares, MIT)

Físicos de Estados Unidos han desarrollado una nueva técnica para monitorear el “segundo sonido”, un tipo extraño de ola de calor que ocurre en superfluidos. El trabajo podría ayudar a modelar una variedad de sistemas científicamente interesantes y poco comprendidos, incluidos superconductores de alta temperatura y estrellas de neutrones.

El término “segundo sonido” fue acuñado por el físico soviético Lev Landau en la década de 1940 después de que su colega László Tisza sugiriera que las extrañas propiedades del helio líquido podrían explicarse considerándolo como una mezcla de dos fluidos: un fluido normal y un superfluido que fluyó sin fricción. Esta disposición da lugar a la posibilidad de que, si el fluido superfluido y el fluido normal fluyen en direcciones opuestas, el material no experimente ninguna perturbación aparente, pero el calor, no obstante, lo atravesará como una onda mientras el fluido normal y el superfluido cambian de lugar.

Poco después, otro físico soviético, Vasilii Peshkov, lo confirmó experimentalmente. "Él [Peshkov] literalmente fue capaz de calentar el superfluido periódicamente en un lado y medir que el calor se distribuía como una onda estacionaria en su recipiente", dice Martín Zwierlein, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) que dirigió el nuevo estudio.

En el siglo XXI, físicos como Zoran Hadzibabic de la Universidad de Cambridge, Reino Unido; deborah jin de JILA en Boulder, Estados Unidos; y Wolfgang Ketterle del MIT introdujo una nueva dimensión a la segunda investigación sólida al demostrar que los condensados ​​de Bose-Einstein y los gases Fermi que interactúan fuertemente también muestran propiedades superfluidas. En 2013 Rudolf Grimm del Centro de Átomos Ultrafríos y Gases Cuánticos de Innsbruck, Austria, fue el primero en observar un segundo sonido en un sistema de este tipo. "[Grimm] no podía ver el calor, pero siempre que hay un gradiente de calor en un gas, también hay un gradiente de densidad que lo acompaña porque el gas es comprimible", explica Zwierlein. "Había una onda de densidad que viajaba a una velocidad mucho más lenta que la velocidad del sonido normal y eso estaba asociado con un segundo sonido".

Imagen directa del flujo de calor.

En la nueva investigación, Zwierlein y sus colegas tomaron imágenes del flujo de calor en un gas Fermi que interactúa fuertemente y está compuesto por átomos de litio-6 ultrafríos. Para ello, colocaron los átomos en una caja de potencial y activaron un campo magnético ajustado con precisión a un valor asociado con la llamada resonancia de Feshbach en los átomos. En esta resonancia, los átomos fermiónicos de litio-6 por debajo de una cierta temperatura crítica pueden interactuar entre sí a larga distancia, formando pares bosónicos mediante un mecanismo similar al mecanismo de Bardeen-Cooper-Schrieffer en la superconductividad. "Es un poco engañoso, pero útil para una primera comprensión, pensar en el superfluido como el componente de pares y en el componente normal como el componente de átomos no apareados", explica Zwierlein.

Animación del primer sonido normal o en un fluido y un superfluido, que muestra ondas en ambos con picos y valles coincidentes.

Animación del segundo sonido en un fluido y un superfluido, que muestra el superfluido chapoteando hacia adelante y hacia atrás y cambiando de lugar con el fluido, mientras la superficie no se altera.
Suena bien: esta sencilla animación contrasta el sonido ordinario (ondas de densidad en las que el fluido normal y el superfluido oscilan juntos) y el segundo sonido, que es el movimiento del calor cuando el superfluido y el fluido normal "chapotean" entre sí dejando la densidad constante. (Cortesía: Zhenjie Yan)

A continuación, los investigadores aplicaron un breve pulso de radiofrecuencia (RF) al gas. La radiación de RF excitó los átomos no apareados a un estado hiperfino diferente, dejando a los átomos apareados sin perturbaciones. Luego, los investigadores utilizaron luz láser para obtener imágenes de los dos grupos de átomos. "Estos estados hiperfinos están lo suficientemente divididos como para que nuestra sonda óptica responda sólo a los estados hiperfinos particulares que seleccionamos", explica Zwierlein. “Donde hay muchos átomos, obtenemos una sombra oscura; donde casi no hay átomos, la luz pasa”. Fundamentalmente, debido a que los gases más fríos contienen una fracción mayor de átomos emparejados que no se ven afectados por la RF, las imágenes contienen información sobre la temperatura del gas. De este modo, los investigadores pudieron visualizar directamente el flujo de calor, incluso cuando el medio permanecía quieto.

Armados con esta nueva herramienta, los investigadores realizaron varias mediciones. En las temperaturas más frías, el calentamiento local de una sola región provocaba fuertes segundas ondas sonoras. A medida que el medio se acercaba a su temperatura crítica, estas ondas se volvieron gradualmente menos importantes para la transferencia de calor en comparación con la difusión simple. Por encima de la temperatura crítica desaparecían por completo. El equipo también observó un comportamiento anómalo a la temperatura crítica. "Es similar a cualquier transición de fase, como el agua hirviendo en una tetera: ves burbujas y las cosas se vuelven locas", dice Zwierlein. Finalmente, midieron la amortiguación del segundo sonido, que surge del hecho de que aunque el componente superfluido fluye sin fricción, el fluido normal no.

Superconductores de alta temperatura y estrellas de neutrones.

Los investigadores dicen que la nueva técnica debería aplicarse también a los condensados ​​de Bose-Einstein, y también podría usarse para analizar el modelo Fermi-Hubbard de superconductividad de alta temperatura desarrollado recientemente. Además, Zwierlein sugiere que "la materia dentro de una estrella de neutrones tiene un comportamiento muy similar, sorprendentemente, porque estos neutrones también interactúan muy fuertemente, por lo que estamos aprendiendo algo de nuestra bocanada de gas en el laboratorio, que es un millón de veces más delgada que el aire". algo sobre estrellas de neutrones locas, a las que es difícil llegar”.

Hadzibabic, que no participó en el estudio, está impresionado. "No es sólo que hagan una excelente termometría por debajo de un nanokelvin, lo cual es difícil incluso si la temperatura es la misma en todas partes, sino que además pueden hacerlo localmente, lo cual es clave para ver esta onda", dice. Mundo de la física. "Así que pueden decir que aquí hace medio nanokelvin más calor y aquí, a 20 micrones de distancia, hace medio nanokelvin más frío". Dice que espera ver la técnica aplicada "en sistemas sobre los cuales sabemos mucho menos y donde todo el sistema está lejos del equilibrio".

La investigación se publica en Ciencia:.

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