A fizikusok a második hang hőmérsékletét veszik – a fizika világa

Az Egyesült Államok fizikusai egy új technikát fejlesztettek ki a „második hang” – a szuperfolyadékokban előforduló bizarr típusú hőhullám – megfigyelésére. A munka segíthet számos tudományosan érdekes és rosszul értelmezett rendszer modellezésében, beleértve a magas hőmérsékletű szupravezetőket és a neutroncsillagokat.

A „második hang” kifejezést Lev Landau szovjet fizikus alkotta meg az 1940-es években, miután kollégája, Tisza László felvetette, hogy a folyékony hélium bizarr tulajdonságai azzal magyarázhatók, hogy két folyadék keverékének tekintik: egy normál folyadék és egy szuperfolyadék. súrlódás nélkül folyt. Ez az elrendezés lehetőséget ad arra, hogy ha a szuperfolyadék és a normál közeg ellentétes irányban áramlik, akkor az anyag nem tapasztal látszólagos zavarást, de a hő mégis hullámszerűen halad át rajta, ahogy a normál folyadék és a szuperfolyadék átvált.

Nem sokkal később egy másik szovjet fizikus, Vaszilij Peshkov ezt kísérletileg megerősítette. „Ő [Peskov] a szó szoros értelmében fel tudta melegíteni a szuperfolyadékot az egyik oldalán, és megmérte, hogy a hő állóhullámként oszlik el a tartályában” – mondja. Martin Zwierlein, a Massachusetts Institute of Technology (MIT) fizikusa, aki az új tanulmányt vezette.

A 21. században a fizikusok, mint pl Zoran Hadzibabic a Cambridge-i Egyetem, Egyesült Királyság; Deborah Jin a JILA Boulderben (USA); és Wolfgang Ketterle Az MIT új dimenzióját vezette be a második hangkutatásban azáltal, hogy bebizonyította, hogy a Bose–Einstein kondenzátumok és az erősen kölcsönható Fermi-gázok szuperfolyékony tulajdonságokkal is rendelkeznek. 2013-ban Rudolf Grimm Az ausztriai Innsbruckban található Ultrahideg Atomok és Kvantumgázok Központja elsőként észlelte a második hangot egy ilyen rendszerben. „[Grimm] nem látta a hőt, de amikor egy gázban hőgradiens van, akkor egy sűrűséggradiens is van vele együtt, mivel a gáz összenyomható” – magyarázza Zwierlein. "Volt egy haladó sűrűségű hullám, amelynek sebessége sokkal kisebb volt, mint a normál hang sebessége, és ez a második hanghoz társult."

A hőáramlás közvetlen leképezése

Az új kutatásban Zwierlein és munkatársai hőáramlást ábrázoltak egy erősen kölcsönhatásba lépő Fermi-gázban, amely ultrahideg lítium-6 atomokból áll. Ennek érdekében az atomokat egy dobozpotenciálba helyezték, és bekapcsoltak egy mágneses teret, amelyet pontosan az atomokban az úgynevezett Feshbach-rezonanciával társított értékre hangoltak. Ennél a rezonanciánál a fermionos lítium-6 atomok egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt nagy hatótávon kölcsönhatásba léphetnek egymással, és a szupravezetés Bardeen-Cooper-Schrieffer mechanizmusához hasonló mechanizmus révén bozonikus párokat alkotnak. „Kicsit félrevezető, de az első megértéshez hasznos, ha a szuperfolyadékot párok alkotóelemének tekintjük, a normál komponenst pedig a párosítatlan atomok alkotóelemének” – magyarázza Zwierlein.

Ezután a kutatók rövid rádiófrekvenciás (RF) impulzust alkalmaztak a gázra. Az RF sugárzás a párosítatlan atomokat egy másik hiperfinom állapotba gerjesztette, így a páros atomok zavartalanok maradtak. A kutatók ezt követően lézerfény segítségével készítették el a két atomcsoportot. „Ezek a hiperfinom állapotok eléggé fel vannak osztva ahhoz, hogy az optikai szondánk csak az általunk kiválasztott hiperfinom állapotokra reagáljon” – magyarázza Zwierlein. „Ahol sok atom van, sötét árnyékot kapunk; ahol szinte nincsenek atomok, a fény áthalad." Lényeges, hogy mivel a hidegebb gázok nagyobb hányadát tartalmazzák a párosított atomoknak, amelyekre nincs hatással az RF, a képek információkat tartalmaznak a gáz hőmérsékletéről. A kutatók ezért közvetlenül tudták leképezni a hőáramlást, még akkor is, ha a közeg mozdulatlan maradt.

Ezzel az új eszközzel felvértezve a kutatók számos mérést végeztek. A leghidegebb hőmérsékleten egyetlen régió helyi felfűtése erős második hanghullámokat okozott. Ahogy a közeg megközelítette a kritikus hőmérsékletét, ezek a hullámok fokozatosan kevésbé jelentősek a hőátadás szempontjából az egyszerű diffúzióhoz képest. A kritikus hőmérséklet felett teljesen eltűntek. A csapat anomális viselkedést is megfigyelt a kritikus hőmérsékleten. „Ez hasonló minden fázisátalakuláshoz, mint például a vízforralóban forr víz: buborékokat látsz – a dolgok megbolondulnak” – mondja Zwierlein. Végül megmérték a második hang csillapítását, ami abból adódik, hogy bár a szuperfolyékony komponens súrlódás nélkül áramlik, a normál folyadék nem.

Magas hőmérsékletű szupravezetők és neutroncsillagok

A kutatók szerint az új technikát a Bose–Einstein kondenzátumokra is alkalmazni kell, és a közelmúltban kifejlesztett, magas hőmérsékletű szupravezetés Fermi–Hubbard modelljének elemzésére is használható. Sőt, Zwierlein azt sugallja, hogy „a neutroncsillagok belsejében lévő anyagok nagyon hasonló viselkedést mutatnak, meglepő módon, mivel ezek a neutronok is nagyon erős kölcsönhatásban állnak egymással, tehát tanulunk valamit a laboratóriumi gázpuffadásunkból, ami milliószor vékonyabb, mint a levegő. valamit az őrült neutroncsillagokról, amelyekhez nehéz eljutni.”

„Második hang” jelenik meg a germániumban

Hadzibabic, aki nem vett részt a vizsgálatban, le van nyűgözve. „Nem csak arról van szó, hogy nagyszerű hőmérést végeznek egy nanokelvin alatt – ami még akkor is nehéz, ha mindenhol azonos a hőmérséklet –, de emellett helyben is meg tudják csinálni, ami kulcsfontosságú a hullám látásához” – mondja. Fizika Világa. „Tehát mondhatják, hogy itt fél nanokelvinnel melegebb, itt pedig, 20 mikronnal arrébb, fél nanokelvinnel hidegebb.” Azt mondja, alig várja, hogy a technikát olyan rendszerekben alkalmazzák, amelyekről sokkal kevesebbet tudunk, és ahol az egész rendszer messze van az egyensúlytól.

A kutatást a Tudomány.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/