Fyysikot mittaavat toisen äänen lämpötilan – Physics World

USA:n fyysikot ovat kehittäneet uuden tekniikan "toisen äänen" seurantaan – supernesteissä esiintyvän omituisen lämpöaallon tyypin. Työ voisi auttaa mallintamaan useita tieteellisesti mielenkiintoisia ja huonosti ymmärrettäviä järjestelmiä, mukaan lukien korkean lämpötilan suprajohteet ja neutronitähdet.

Neuvostoliiton fyysikko Lev Landau loi termin "toinen ääni" 1940-luvulla sen jälkeen, kun hänen kollegansa László Tisza ehdotti, että nestemäisen heliumin omituiset ominaisuudet voitaisiin selittää pitämällä sitä kahden nesteen seoksena: normaali neste ja superneste. virtasi ilman kitkaa. Tämä järjestely synnyttää mahdollisuuden, että jos superneste ja normaalifluidi virtaavat vastakkaisiin suuntiin, materiaali ei aiheuta näennäistä häiriötä, mutta lämpö kuitenkin kulkee sen läpi aallon tavoin normaalin nesteen ja supernesteen vaihtaessa.

Pian tämän jälkeen toinen Neuvostoliiton fyysikko Vasilii Peshkov vahvisti tämän kokeellisesti. "Hän [Peshkov] pystyi kirjaimellisesti lämmittämään supernesteen ajoittain toiselta puolelta ja mittaamaan, että lämpö jakautui kuin seisova aalto hänen astiassaan", sanoo Martin Zwierlein, fyysikko Massachusetts Institute of Technologysta (MIT), joka johti uutta tutkimusta.

21-luvulla fyysikot, kuten Zoran Hadzibabic Cambridgen yliopistosta, Iso-Britanniasta; Deborah Jin JILAn Boulderissa, Yhdysvalloissa; ja Wolfgang Ketterle MIT toi uuden ulottuvuuden toisen äänen tutkimukseen osoittamalla, että Bose-Einstein-kondensaatit ja voimakkaasti vuorovaikuttavat Fermi-kaasut osoittavat myös supernesteominaisuuksia. Vuonna 2013 Rudolf Grimm Innsbruckissa, Itävallassa sijaitsevasta ultrakylmien atomien ja kvanttikaasujen keskuksesta tuli ensimmäinen, joka havaitsi toisen äänen tällaisessa järjestelmässä. "[Grimm] ei voinut nähdä lämpöä, mutta aina kun kaasussa on lämpögradientti, siihen liittyy myös tiheysgradientti, koska kaasu on kokoonpuristuvaa", Zwierlein selittää. "Siellä oli liikkuva tiheysaalto nopeudella, joka oli paljon hitaampi kuin normaalin äänen nopeus, ja se liittyi toiseen ääneen."

Suora kuvantaminen lämmön virtauksesta

Uudessa tutkimuksessa Zwierlein ja kollegat kuvasivat lämpövirtausta voimakkaasti vuorovaikutteisessa Fermi-kaasussa, joka koostuu ultrakylmistä litium-6-atomeista. Tätä varten he asettivat atomit laatikkopotentiaaliin ja käynnistivät magneettikentän, joka oli säädetty tarkasti arvoon, joka liittyy atomien niin kutsuttuun Feshbach-resonanssiin. Tässä resonanssissa fermioniset litium-6-atomit, jotka ovat tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella, voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa pitkällä kantamalla muodostaen bosonipareja mekanismilla, joka muistuttaa Bardeen-Cooper-Schrieffer-mekanismia suprajohtavuudessa. "On hieman harhaanjohtavaa, mutta auttaa ensiksi ymmärtämään, että superneste on parien komponentti ja normaalikomponentti parittomien atomien komponentti", Zwierlein selittää.

Seuraavaksi tutkijat käyttivät kaasuun lyhyttä radiotaajuista (RF) pulssia. RF-säteily viritti parittomat atomit erilaiseen hyperhienotilaan jättäen parilliset atomit häiriintymättömiksi. Sitten tutkijat käyttivät laservaloa kahden atomiryhmän kuvaamiseen. "Nämä hyperhienot tilat jakautuvat tarpeeksi, jotta optinen anturimme reagoi vain valitsemiimme hyperhienoihin tiloihin", Zwierlein selittää. ”Missä on paljon atomeja, saamme tumman varjon; missä ei ole juuri lainkaan atomeja, valo kulkee läpi." Tärkeää on, että koska kylmemmät kaasut sisältävät suuremman osan atomeista, joihin radiotaajuus ei vaikuta, kuvat sisältävät tietoa kaasun lämpötilasta. Siksi tutkijat pystyivät kuvaamaan lämmön virtausta suoraan, vaikka väliaine pysyisi paikallaan.

Tämän uuden työkalun avulla tutkijat tekivät useita mittauksia. Kylmimmässä lämpötilassa yksittäisen alueen paikallinen lämmitys aiheutti voimakkaita toisia ääniaaltoja. Kun väliaine lähestyi kriittistä lämpötilaansa, nämä aallot vähentyivät vähitellen lämmönsiirron kannalta yksinkertaiseen diffuusioon verrattuna. Kriittisen lämpötilan yläpuolella ne katosivat kokonaan. Ryhmä havaitsi myös poikkeavaa käyttäytymistä kriittisessä lämpötilassa. "Se on samanlainen kaikissa vaiheissa, kuten vedenkeittimessä kiehuvassa vedessä: näet kuplia – asiat menevät hulluksi", Zwierlein sanoo. Lopuksi he mittasivat toisen äänen vaimennusta, joka johtuu siitä, että vaikka supernestekomponentti virtaa ilman kitkaa, normaali neste ei.

Korkean lämpötilan suprajohteet ja neutronitähdet

Tutkijoiden mukaan uutta tekniikkaa tulisi soveltaa myös Bose-Einstein-kondensaatteihin, ja sitä voitaisiin käyttää myös äskettäin kehitetyn korkean lämpötilan suprajohtavuuden Fermi-Hubbardin mallin analysointiin. Lisäksi Zwierlein ehdottaa, että "aine neutronitähden sisällä käyttäytyy hyvin samankaltaisesti, yllättäen, koska nämä neutronit ovat myös erittäin vahvasti vuorovaikutuksessa, joten opimme jotain laboratoriossa saamastamme kaasuhuuhtelusta, joka on miljoona kertaa ilmaa ohuempi. jotain hulluista neutronitähdistä, joihin on vaikea päästä."

'Toinen ääni' näkyy germaniumissa

Hadzibabic, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, on vaikuttunut. "Kyse ei ole vain siitä, että he tekevät hienoa lämpömittausta nanokelvinin alapuolella – mikä on vaikeaa, vaikka lämpötila on sama kaikkialla - mutta lisäksi he voivat tehdä sen paikallisesti, mikä on avainasemassa tämän aallon näkemisessä", hän kertoo. Fysiikan maailma. "Joten he voivat sanoa, että täällä on puoli nanokelviniä kuumempi ja täällä, 20 mikronin päässä, puoli nanokelviniä kylmempää." Hän sanoo odottavansa innolla, että tekniikkaa sovelletaan "järjestelmissä, joista tiedämme paljon vähemmän ja joissa koko järjestelmä on kaukana tasapainosta".

Tutkimus julkaistaan tiede.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/