Les physiciens prennent la température du deuxième son – Physics World

Une nouvelle technique de surveillance du « second son » – un type bizarre de vague de chaleur qui se produit dans les superfluides – a été développée par des physiciens américains. Ces travaux pourraient aider à modéliser une variété de systèmes scientifiquement intéressants et mal compris, notamment les supraconducteurs à haute température et les étoiles à neutrons.

Le terme « second son » a été inventé par le physicien soviétique Lev Landau dans les années 1940 après que son collègue László Tisza ait suggéré que les propriétés étranges de l'hélium liquide pourraient s'expliquer en le considérant comme un mélange de deux fluides : un fluide normal et un superfluide qui coulait sans friction. Cette disposition donne lieu à la possibilité que, si le superfluide et le fluide normal s'écoulent dans des directions opposées, le matériau ne subira aucune perturbation apparente, mais la chaleur le traversera néanmoins comme une vague lorsque le fluide normal et le superfluide changeront de place.

Peu de temps après, un autre physicien soviétique, Vassili Peshkov, le confirma expérimentalement. "Il [Peshkov] était littéralement capable de chauffer périodiquement le superfluide d'un côté et de mesurer que la chaleur était distribuée comme une onde stationnaire dans son récipient", explique Martin Zwierlein, physicien du Massachusetts Institute of Technology (MIT) qui a dirigé la nouvelle étude.

Au 21e siècle, des physiciens comme Zoran Hadzibabic de l'Université de Cambridge, Royaume-Uni ; Déborah Jin de JILA à Boulder, États-Unis ; et Wolfgang Ketterle du MIT a introduit une nouvelle dimension dans la recherche sur les seconds sons en démontrant que les condensats de Bose-Einstein et les gaz de Fermi en interaction forte présentent également des propriétés superfluides. En 2013 Rudolf Grimm du Centre pour les atomes ultrafroids et les gaz quantiques à Innsbruck, en Autriche, est devenu le premier à observer un deuxième son dans un tel système. "[Grimm] ne pouvait pas voir la chaleur, mais chaque fois qu'il y a un gradient de chaleur dans un gaz, il y a aussi un gradient de densité qui l'accompagne parce que le gaz est compressible", explique Zwierlein. "Il y avait une onde de densité se déplaçant à une vitesse beaucoup plus lente que la vitesse du son normal et qui était associée au deuxième son."

Imagerie directe du flux de chaleur

Dans la nouvelle recherche, Zwierlein et ses collègues ont imagé le flux de chaleur dans un gaz de Fermi en interaction forte composé d'atomes de lithium-6 ultrafroids. Pour ce faire, ils ont placé les atomes dans une boîte de potentiel et ont activé un champ magnétique précisément réglé sur une valeur associée à une résonance dite de Feshbach dans les atomes. À cette résonance, les atomes fermioniques de lithium-6 en dessous d'une certaine température critique peuvent interagir les uns avec les autres à longue distance, formant des paires bosoniques par un mécanisme similaire au mécanisme de Bardeen-Cooper-Schrieffer en supraconductivité. "Il est un peu trompeur mais utile pour une première compréhension de considérer le superfluide comme le composant de paires et le composant normal comme le composant d'atomes non appariés", explique Zwierlein.

Ensuite, les chercheurs ont appliqué une courte impulsion radiofréquence (RF) au gaz. Le rayonnement RF a excité les atomes non appariés vers un état hyperfin différent, laissant les atomes appariés tranquilles. Les chercheurs ont ensuite utilisé la lumière laser pour imager les deux groupes d’atomes. "Ces états hyperfins sont suffisamment divisés pour que notre sonde optique ne réponde qu'aux états hyperfins particuliers que nous avons sélectionnés", explique Zwierlein. « Là où il y a beaucoup d’atomes, nous obtenons une ombre sombre ; là où il n’y a presque pas d’atomes, la lumière passe. Surtout, étant donné que les gaz plus froids contiennent une plus grande fraction d’atomes appariés qui ne sont pas affectés par la RF, les images contiennent des informations sur la température du gaz. Les chercheurs ont ainsi pu visualiser directement le flux de chaleur, même lorsque le milieu restait immobile.

Armés de ce nouvel outil, les chercheurs ont réalisé plusieurs mesures. Aux températures les plus froides, le chauffage local d’une seule région a provoqué de fortes secondes ondes sonores. À mesure que le milieu approchait de sa température critique, ces ondes devenaient progressivement moins importantes pour le transfert de chaleur par rapport à la simple diffusion. Au-dessus de la température critique, ils ont complètement disparu. L’équipe a également observé un comportement anormal à la température critique. « C'est la même chose pour toute transition de phase, comme l'eau bouillante dans une bouilloire : vous voyez des bulles – les choses deviennent folles », explique Zwierlein. Enfin, ils ont mesuré l’amortissement du deuxième son, qui provient du fait que même si le composant superfluide s’écoule sans friction, ce n’est pas le cas du fluide normal.

Supraconducteurs à haute température et étoiles à neutrons

Les chercheurs affirment que la nouvelle technique devrait également s’appliquer aux condensats de Bose-Einstein et pourrait également être utilisée pour analyser le modèle Fermi-Hubbard récemment développé de supraconductivité à haute température. De plus, Zwierlein suggère que « la matière à l'intérieur d'une étoile à neutrons a un comportement très similaire, ce qui est surprenant, car ces neutrons interagissent également très fortement, nous apprenons donc quelque chose de notre bouffée de gaz en laboratoire qui est un million de fois plus mince que l'air. quelque chose à propos des étoiles à neutrons folles, difficiles à atteindre.

Le « deuxième son » apparaît en germanium

Hadzibabic, qui n’a pas participé à l’étude, est impressionné. « Non seulement ils font une excellente thermométrie en dessous du nanokelvin – ce qui est difficile même si la température est la même partout – mais ils peuvent en plus le faire localement, ce qui est essentiel pour voir cette vague », explique-t-il. Monde de la physique. "Ils peuvent donc dire qu'ici, il fait un demi-nanokelvin plus chaud et qu'ici, à 20 microns, il fait un demi-nanokelvin plus froid." Il dit qu'il attend avec impatience de voir la technique appliquée « dans des systèmes dont nous en savons beaucoup moins et où l'ensemble du système est loin de l'équilibre ».

La recherche est publiée dans Sciences.

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• La source: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/