فیزیکدانان دمای صدای دوم را می گیرند - دنیای فیزیک

فیزیکدانان دمای صدای دوم را می گیرند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 13 فوریه 2024، 10:09 صبح

تصویری که فلش‌های صورتی و نارنجی داغ را نشان می‌دهد که جریان گرما را از میان شبکه‌ای از کره‌های اتم‌مانند نشان می‌دهد.
موج در حین عبور: اصطلاح "صدای دوم" به حرکت گرما در یک ابر سیال اشاره دارد. (با احترام: خوزه لوئیس اولیوارس، MIT)

یک تکنیک جدید برای نظارت بر "صدای دوم" - یک نوع عجیب موج گرما که در ابر سیالات رخ می دهد - توسط فیزیکدانان در ایالات متحده توسعه یافته است. این کار می‌تواند به مدل‌سازی انواع سیستم‌های علمی جالب و ناشناخته، از جمله ابررساناهای دمای بالا و ستاره‌های نوترونی کمک کند.

اصطلاح "صدای دوم" توسط فیزیکدان شوروی لو لاندو در دهه 1940 پس از اینکه همکارش لازلو تیسا پیشنهاد کرد که خواص عجیب هلیوم مایع را می توان با در نظر گرفتن آن به عنوان مخلوطی از دو سیال توضیح داد: یک سیال معمولی و یک ابر سیال توضیح داد. بدون اصطکاک جاری شد این آرایش این احتمال را ایجاد می کند که اگر سیال فوق سیال و معمولی در جهت مخالف جریان داشته باشند، ماده هیچ اختلال ظاهری را تجربه نکند، اما گرما مانند یک موج از آن عبور می کند، همانطور که سیال معمولی و سوئیچ ابرسیال قرار می گیرند.

اندکی بعد، فیزیکدان دیگر شوروی به نام واسیلی پشکوف این موضوع را به صورت تجربی تایید کرد. او می‌گوید: «او [پشکوف] به معنای واقعی کلمه قادر بود ابرسیال را به صورت دوره‌ای از یک طرف گرم کند و اندازه‌گیری کند که گرما مانند یک موج ایستاده در ظرف او توزیع می‌شود.» مارتین زویرلین، یک فیزیکدان در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) که این مطالعه جدید را رهبری کرد.

در قرن بیست و یکم، فیزیکدانانی مانند زوران هادزیبابیچ از دانشگاه کمبریج، انگلستان؛ دبورا جین JILA در بولدر، ایالات متحده؛ و ولفگانگ کترله MIT با نشان دادن اینکه میعانات بوز-اینشتین و گازهای فرمی با تعامل قوی نیز خواص فوق سیال از خود نشان می دهند، بعد جدیدی را در تحقیقات صدا دوم معرفی کرد. در سال 2013 رودولف گریم از مرکز اتم های فوق سرد و گازهای کوانتومی در اینسبروک، اتریش اولین صدایی بود که صدای دوم را در چنین سیستمی مشاهده کرد. زویرلین توضیح می‌دهد: «[گریم] نمی‌توانست گرما را ببیند، اما هر زمان که یک گرادیان حرارتی در گاز دارید، یک گرادیان چگالی هم وجود دارد، زیرا گاز تراکم‌پذیر است». موجی با چگالی سفر با سرعتی بسیار کمتر از سرعت صوت معمولی وجود داشت که با صدای دوم مرتبط بود.

تصویربرداری مستقیم از جریان گرما

در تحقیقات جدید، Zwierlein و همکارانش جریان گرما را در یک گاز فرمی با تعامل قوی متشکل از اتم های فوق سرد لیتیوم-6 تصویر کردند. برای انجام این کار، آنها اتم ها را در یک پتانسیل جعبه قرار دادند و یک میدان مغناطیسی را روشن کردند که دقیقاً به مقداری مرتبط با رزونانس به اصطلاح فشباخ در اتم ها تنظیم شده بود. در این رزونانس، اتم های فرمیونی لیتیوم-6 زیر یک دمای بحرانی خاص می توانند در برد طولانی با یکدیگر تعامل داشته باشند و جفت های بوزونی را با مکانیسمی شبیه به مکانیسم باردین- کوپر- شریفر در ابررسانایی تشکیل دهند. Zwierlein توضیح می‌دهد: «برای درک اولیه، این کمی گمراه‌کننده است، اما برای درک اول مفید است که ابرسیال را جزء جفت‌ها و جزء عادی را جزء اتم‌های جفت‌نشده در نظر بگیریم.

انیمیشن صدای معمولی یا اول در یک سیال و یک ابر سیال، نشان دادن امواج در هر دو با قله ها و فرودها همزمان

انیمیشن صدای دوم در یک سیال و یک ابر سیال، نشان می دهد که ابر سیال در حال حرکت به جلو و عقب و تغییر مکان با سیال، در حالی که سطح دست نخورده است.
به نظر خوب می رسد: این انیمیشن ساده صدای معمولی (امواج چگالی که در آن سیال معمولی و ابر سیال با هم نوسان می کنند) و صدای دوم، که حرکت گرما زمانی است که سیال فوق سیال و معمولی در مقابل هم قرار می گیرند در حالی که چگالی را ثابت می گذارند، تضاد می کند. (با احترام: ژنجی یان)

سپس، محققان یک پالس کوتاه فرکانس رادیویی (RF) روی گاز اعمال کردند. تابش RF اتم های جفت نشده را به حالت فوق ریز متفاوتی برانگیخت و اتم های جفت شده را دست نخورده باقی گذاشت. سپس محققان از نور لیزر برای تصویربرداری از دو گروه اتم استفاده کردند. Zwierlein توضیح می‌دهد: «این حالت‌های فوق‌ریز به اندازه‌ای تقسیم می‌شوند که کاوشگر نوری ما فقط به حالت‌های فوق‌ریز خاصی که انتخاب کرده‌ایم پاسخ می‌دهد». جایی که تعداد زیادی اتم وجود دارد، ما یک سایه تاریک می گیریم. جایی که تقریباً هیچ اتمی وجود ندارد، نور از آن عبور می کند. بسیار مهم است، زیرا گازهای سردتر حاوی کسر بزرگتری از اتم های جفتی هستند که تحت تأثیر RF قرار نمی گیرند، تصاویر حاوی اطلاعاتی درباره دمای گاز هستند. بنابراین محققان می‌توانستند جریان گرما را مستقیماً تصویر کنند، حتی زمانی که محیط ثابت می‌ماند.

با استفاده از این ابزار جدید، محققان چندین اندازه گیری انجام دادند. در سردترین دماها، گرمایش موضعی یک ناحیه واحد باعث ایجاد امواج صوتی قوی دوم شد. همانطور که محیط به دمای بحرانی خود نزدیک شد، این امواج در مقایسه با انتشار ساده به تدریج از اهمیت کمتری برای انتقال گرما برخوردار شدند. بالاتر از دمای بحرانی، آنها به طور کلی ناپدید شدند. این تیم همچنین رفتار غیرعادی را در دمای بحرانی مشاهده کردند. Zwierlein می‌گوید: «برای هر انتقال فازی مانند جوشیدن آب در کتری مشابه است: حباب‌ها را می‌بینید - همه چیز دیوانه می‌شود. در نهایت، آنها میرایی صدای دوم را اندازه‌گیری کردند، که از این واقعیت ناشی می‌شود که اگرچه جزء فوق سیال بدون اصطکاک جریان دارد، سیال معمولی اینطور نیست.

ابررساناها و ستاره های نوترونی با دمای بالا

محققان می گویند این روش جدید باید در مورد میعانات بوز-اینشتین نیز اعمال شود و همچنین می تواند برای تجزیه و تحلیل مدل اخیراً توسعه یافته فرمی هابارد ابررسانایی در دمای بالا مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، Zwierlein پیشنهاد می‌کند که «ماده درون یک ستاره نوترونی از نظر رفتار بسیار شبیه به هم است، به‌طور شگفت‌انگیزی، زیرا این نوترون‌ها نیز به شدت برهم‌کنش دارند، بنابراین ما از پف گاز خود در آزمایشگاه چیزی یاد می‌گیریم که یک میلیون بار نازک‌تر از هوا است. چیزی در مورد ستارگان نوترونی دیوانه که دسترسی به آنها سخت است."

هادزیبابیچ که در این مطالعه شرکت نداشت، تحت تأثیر قرار گرفته است. او می‌گوید: «فقط این نیست که آنها دماسنجی عالی زیر یک نانوکلوین انجام می‌دهند - که سخت است حتی اگر دما در همه جا یکسان باشد - بلکه می‌توانند آن را به صورت محلی انجام دهند، که برای دیدن این موج کلیدی است.» دنیای فیزیک. بنابراین آنها می توانند بگویند اینجا نیم نانوکلوین گرمتر است و اینجا، در فاصله 20 میکرون، نیم نانوکلوین سردتر است. او می‌گوید مشتاقانه منتظر است تا این تکنیک را ببیند که «در سیستم‌هایی که ما در مورد آن‌ها خیلی کمتر می‌دانیم و کل سیستم از تعادل دور است» به کار گرفته شود.

این تحقیق در منتشر شده است علم.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک