भौतिक विज्ञानी दूसरी ध्वनि का तापमान लेते हैं - फिजिक्स वर्ल्ड

भौतिक विज्ञानी दूसरी ध्वनि का तापमान लेते हैं - फिजिक्स वर्ल्ड

समय टिकट: 13 फरवरी, 2024 10:09 पूर्वाह्न

छवि में गर्म गुलाबी और नारंगी तीर परमाणु जैसे गोले के ग्रिड के माध्यम से गर्मी के प्रवाह को दर्शाते हैं
जैसे-जैसे आप आगे बढ़ते हैं तरंग: शब्द "दूसरी ध्वनि" एक सुपरफ्लुइड के माध्यम से गर्मी की गति को संदर्भित करता है। (सौजन्य: जोस-लुइस ओलिवारेस, एमआईटी)

"दूसरी ध्वनि" की निगरानी के लिए एक नई तकनीक - एक विचित्र प्रकार की गर्मी की लहर जो सुपरफ्लुइड्स में होती है - अमेरिका में भौतिकविदों द्वारा विकसित की गई है। यह कार्य उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स और न्यूट्रॉन सितारों सहित विभिन्न प्रकार की वैज्ञानिक रूप से दिलचस्प और कम समझी जाने वाली प्रणालियों को मॉडल करने में मदद कर सकता है।

शब्द "दूसरी ध्वनि" सोवियत भौतिक विज्ञानी लेव लैंडौ द्वारा 1940 के दशक में उनके सहयोगी लास्ज़लो टिस्ज़ा द्वारा सुझाए गए सुझाव के बाद गढ़ा गया था कि तरल हीलियम के विचित्र गुणों को इसे दो तरल पदार्थों के मिश्रण के रूप में समझा जा सकता है: एक सामान्य तरल और एक सुपरफ्लुइड। बिना घर्षण के प्रवाहित होता है। यह व्यवस्था इस संभावना को जन्म देती है कि, यदि सुपरफ्लुइड और सामान्य तरल पदार्थ विपरीत दिशाओं में प्रवाहित होते हैं, तो सामग्री को किसी भी स्पष्ट गड़बड़ी का अनुभव नहीं होगा, लेकिन गर्मी फिर भी सामान्य तरल पदार्थ और सुपरफ्लुइड स्विच स्थानों के रूप में एक लहर की तरह इसके माध्यम से गुजर जाएगी।

कुछ ही समय बाद, एक अन्य सोवियत भौतिक विज्ञानी वासिली पेशकोव ने प्रयोगात्मक रूप से इसकी पुष्टि की। "वह [पेशकोव] सचमुच समय-समय पर सुपरफ्लुइड को एक तरफ से गर्म करने में सक्षम था और मापता था कि गर्मी उसके कंटेनर में एक खड़ी लहर की तरह वितरित की गई थी," कहते हैं। मार्टिन ज़्विएरलीनमैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) के एक भौतिक विज्ञानी, जिन्होंने नए अध्ययन का नेतृत्व किया।

21वीं सदी में, जैसे भौतिक विज्ञानी ज़ोरान हद्ज़िबैबिक कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय, यूके के; दबोरा जिन बोल्डर, अमेरिका में JILA का; और वोल्फगैंग केटरले एमआईटी ने यह प्रदर्शित करके दूसरे ध्वनि अनुसंधान में एक नया आयाम पेश किया कि बोस-आइंस्टीन संघनित होते हैं और फर्मी गैसों के साथ दृढ़ता से संपर्क करते हुए सुपरफ्लुइड गुण भी प्रदर्शित करते हैं। 2013 में रुडोल्फ ग्रिम इंसब्रुक, ऑस्ट्रिया में अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं और क्वांटम गैसों का केंद्र इस तरह की प्रणाली में दूसरी ध्वनि का निरीक्षण करने वाला पहला केंद्र बन गया। "[ग्रिम] गर्मी नहीं देख सका, लेकिन जब भी आपके पास गैस में गर्मी प्रवणता होती है तो उसके साथ घनत्व प्रवणता भी होती है क्योंकि गैस संपीड़ित होती है," ज़्विएरलीन बताते हैं। "सामान्य ध्वनि की गति की तुलना में बहुत धीमी गति से यात्रा करने वाली एक घनत्व तरंग थी और यह दूसरी ध्वनि से जुड़ी थी।"

ऊष्मा प्रवाह की प्रत्यक्ष इमेजिंग

नए शोध में, ज़्विएरलीन और उनके सहयोगियों ने अल्ट्राकोल्ड लिथियम -6 परमाणुओं से बनी एक दृढ़ता से बातचीत करने वाली फर्मी गैस में गर्मी के प्रवाह की कल्पना की। ऐसा करने के लिए, उन्होंने परमाणुओं को एक बॉक्स पोटेंशियल में रखा और परमाणुओं में तथाकथित फ़ेशबैक प्रतिध्वनि से जुड़े मूल्य के अनुरूप चुंबकीय क्षेत्र को चालू किया। इस प्रतिध्वनि पर, एक निश्चित महत्वपूर्ण तापमान के नीचे फर्मिओनिक लिथियम -6 परमाणु लंबी दूरी पर एक दूसरे के साथ बातचीत कर सकते हैं, जिससे सुपरकंडक्टिविटी में बार्डीन-कूपर-श्राइफ़र तंत्र के समान एक तंत्र द्वारा बोसोनिक जोड़े बनते हैं। "यह थोड़ा भ्रामक है लेकिन पहली समझ के लिए सुपरफ्लुइड को जोड़े के घटक के रूप में और सामान्य घटक को अयुग्मित परमाणुओं के घटक के रूप में सोचना उपयोगी है," ज़्विएरलीन बताते हैं।

एक तरल पदार्थ और एक सुपरफ्लुइड में सामान्य या पहली ध्वनि का एनीमेशन, दोनों में चोटियों और गर्त के संयोग के साथ तरंगें दिखा रहा है

एक तरल पदार्थ और एक सुपरफ्लुइड में दूसरी ध्वनि का एनीमेशन, सुपरफ्लुइड को आगे और पीछे स्लोशिंग और तरल पदार्थ के साथ स्थान बदलते हुए दिखाता है, जबकि सतह अबाधित है
अच्छा लगता है: यह सरल एनीमेशन सामान्य ध्वनि (घनत्व तरंगें जिसमें सामान्य तरल पदार्थ और सुपरफ्लुइड एक साथ दोलन करते हैं) और दूसरी ध्वनि के विपरीत है, जो घनत्व को स्थिर रखते हुए सुपरफ्लुइड और सामान्य तरल पदार्थ एक दूसरे के खिलाफ "धीमे" होने पर गर्मी की गति है। (सौजन्य: झेंजी यान)

इसके बाद, शोधकर्ताओं ने गैस पर एक छोटी रेडियोफ्रीक्वेंसी (आरएफ) पल्स लागू की। आरएफ विकिरण ने अयुग्मित परमाणुओं को एक अलग अति सूक्ष्म अवस्था में उत्तेजित कर दिया, जिससे युग्मित परमाणु अबाधित रह गए। इसके बाद शोधकर्ताओं ने परमाणुओं के दो समूहों की छवि लेने के लिए लेजर प्रकाश का उपयोग किया। "ये हाइपरफाइन अवस्थाएँ इतनी विभाजित हैं कि हमारी ऑप्टिकल जांच केवल उन विशेष हाइपरफाइन अवस्थाओं पर प्रतिक्रिया करती है जिन्हें हमने चुना है," ज़्विएरलीन बताते हैं। “जहाँ बहुत सारे परमाणु होते हैं, वहाँ हमें एक अँधेरी छाया मिलती है; जहां लगभग कोई परमाणु नहीं होते, वहां से प्रकाश गुजरता है।'' महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि ठंडी गैसों में युग्मित परमाणुओं का एक बड़ा अंश होता है जो आरएफ से अप्रभावित होते हैं, छवियों में गैस के तापमान के बारे में जानकारी होती है। इसलिए शोधकर्ता ऊष्मा प्रवाह की सीधे छवि ले सकते हैं, भले ही माध्यम स्थिर रहे।

इस नए उपकरण से लैस होकर, शोधकर्ताओं ने कई माप किए। सबसे ठंडे तापमान पर, स्थानीय स्तर पर एक क्षेत्र को गर्म करने से मजबूत दूसरी ध्वनि तरंगें पैदा हुईं। जैसे-जैसे माध्यम अपने महत्वपूर्ण तापमान के करीब पहुंचा, ये तरंगें साधारण प्रसार की तुलना में गर्मी हस्तांतरण के लिए धीरे-धीरे कम महत्वपूर्ण हो गईं। महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर, वे पूरी तरह से गायब हो गए। टीम ने महत्वपूर्ण तापमान पर भी असामान्य व्यवहार देखा। "यह किसी भी चरण संक्रमण के लिए केतली में उबलते पानी के समान है: आप बुलबुले देखते हैं - चीजें पागल हो जाती हैं," ज़्विएरलीन कहते हैं। अंत में, उन्होंने दूसरी ध्वनि के अवमंदन को मापा, जो इस तथ्य से उत्पन्न होता है कि यद्यपि सुपरफ्लुइड घटक घर्षण के बिना बहता है, सामान्य तरल पदार्थ ऐसा नहीं करता है।

उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स और न्यूट्रॉन तारे

शोधकर्ताओं का कहना है कि नई तकनीक बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट पर भी लागू होनी चाहिए, और इसका उपयोग उच्च तापमान सुपरकंडक्टिविटी के हाल ही में विकसित फर्मी-हबर्ड मॉडल के विश्लेषण के लिए भी किया जा सकता है। इसके अलावा, ज़्विएरलीन का सुझाव है कि "आश्चर्य की बात है कि न्यूट्रॉन तारे के अंदर का पदार्थ व्यवहार में बहुत समान है, क्योंकि ये न्यूट्रॉन भी बहुत दृढ़ता से बातचीत कर रहे हैं, इसलिए हम प्रयोगशाला में गैस के अपने कश से कुछ सीख रहे हैं जो हवा से लाखों गुना पतला है।" पागल न्यूट्रॉन सितारों के बारे में कुछ, जिन तक पहुंचना कठिन है।"

हडज़िबाबिक, जो अध्ययन में शामिल नहीं थे, प्रभावित हैं। "ऐसा नहीं है कि वे नैनोकेल्विन के नीचे बेहतरीन थर्मोमेट्री करते हैं - जो हर जगह समान तापमान होने पर भी कठिन है - बल्कि इसके अलावा वे इसे स्थानीय स्तर पर भी कर सकते हैं, जो इस लहर को देखने के लिए महत्वपूर्ण है," वह बताते हैं। भौतिकी की दुनिया. "तो वे कह सकते हैं कि यहां यह आधा नैनोकेल्विन अधिक गर्म है और यहां, 20 माइक्रोन दूर, यह आधा नैनोकेल्विन अधिक ठंडा है।" उनका कहना है कि वह इस तकनीक को "उन प्रणालियों में लागू होते देखने के लिए उत्सुक हैं जिनके बारे में हम बहुत कम जानते हैं और जहां पूरी प्रणाली संतुलन से बहुत दूर है"।

शोध में प्रकाशित किया गया है विज्ञान.

समय टिकट:

से अधिक भौतिकी की दुनिया