Fisikawan mengukur suhu suara kedua – Dunia Fisika

Sebuah teknik baru untuk memantau “suara kedua” – sejenis gelombang panas aneh yang terjadi pada superfluida – telah dikembangkan oleh fisikawan di AS. Pekerjaan ini dapat membantu memodelkan berbagai sistem yang menarik secara ilmiah dan kurang dipahami, termasuk superkonduktor suhu tinggi dan bintang neutron.

Istilah “suara kedua” diciptakan oleh fisikawan Soviet Lev Landau pada tahun 1940-an setelah rekannya László Tisza menyatakan bahwa sifat aneh helium cair dapat dijelaskan dengan menganggapnya sebagai campuran dua cairan: fluida normal dan superfluida yang mengalir tanpa gesekan. Pengaturan ini menimbulkan kemungkinan bahwa, jika superfluida dan fluida normal mengalir dalam arah yang berlawanan, material tersebut tidak akan mengalami gangguan apa pun, namun panas akan tetap melewatinya seperti gelombang ketika fluida normal dan superfluida bertukar tempat.

Tak lama kemudian, fisikawan Soviet lainnya, Vasilii Peshkov, mengkonfirmasi hal ini secara eksperimental. “Dia [Peshkov] benar-benar mampu memanaskan superfluida secara berkala di satu sisi dan mengukur bahwa panasnya didistribusikan seperti gelombang berdiri di dalam wadahnya,” kata Martin Zwierlein, seorang fisikawan di Massachusetts Institute of Technology (MIT) yang memimpin studi baru ini.

Pada abad ke-21, fisikawan seperti Zoran Hadzibabic dari Universitas Cambridge, Inggris; Debora Jin dari JILA di Boulder, AS; Dan Wolfgang Ketterle dari MIT memperkenalkan dimensi baru pada penelitian suara kedua dengan menunjukkan bahwa kondensat Bose–Einstein dan gas Fermi yang berinteraksi kuat juga menunjukkan sifat superfluida. Pada tahun 2013 Rudolf Grimm dari Pusat Atom Ultradingin dan Gas Kuantum di Innsbruck, Austria menjadi orang pertama yang mengamati bunyi kedua dalam sistem semacam itu. “[Grimm] tidak dapat melihat panasnya, namun setiap kali Anda melihat gradien panas dalam suatu gas, maka ada juga gradien kepadatan yang menyertainya karena gas tersebut dapat dimampatkan,” jelas Zwierlein. “Ada gelombang kepadatan yang bergerak dengan kecepatan yang jauh lebih lambat dari kecepatan suara normal dan itu terkait dengan suara kedua.”

Pencitraan langsung aliran panas

Dalam penelitian baru, Zwierlein dan rekannya menggambarkan aliran panas dalam gas Fermi yang berinteraksi kuat yang terdiri dari atom lithium-6 yang sangat dingin. Untuk melakukan hal ini, mereka menempatkan atom-atom dalam kotak potensial dan menyalakan medan magnet yang disetel secara tepat ke nilai yang terkait dengan apa yang disebut resonansi Feshbach dalam atom. Pada resonansi ini, atom litium-6 fermionik di bawah suhu kritis tertentu dapat berinteraksi satu sama lain dalam jarak jauh, membentuk pasangan bosonik melalui mekanisme yang mirip dengan mekanisme Bardeen-Cooper-Schrieffer dalam superkonduktivitas. “Agak menyesatkan namun bermanfaat untuk pemahaman awal jika menganggap superfluida sebagai komponen berpasangan dan komponen normal sebagai komponen atom tidak berpasangan,” jelas Zwierlein.

Selanjutnya, para peneliti menerapkan pulsa frekuensi radio pendek (RF) ke gas tersebut. Radiasi RF mengeksitasi atom-atom yang tidak berpasangan ke keadaan hiperhalus yang berbeda, sehingga atom-atom yang berpasangan tidak terganggu. Para peneliti kemudian menggunakan sinar laser untuk menggambarkan dua kelompok atom. “Keadaan hyperfine ini cukup terpecah sehingga probe optik kami hanya merespons kondisi hyperfine tertentu yang kami pilih,” jelas Zwierlein. “Jika terdapat banyak atom, kita mendapatkan bayangan gelap; di mana hampir tidak ada atom, cahaya akan melewatinya.” Yang terpenting, karena gas yang lebih dingin mengandung fraksi atom berpasangan yang lebih besar yang tidak terpengaruh oleh RF, gambar tersebut berisi informasi tentang suhu gas. Oleh karena itu, para peneliti dapat menggambarkan aliran panas secara langsung, bahkan ketika mediumnya diam.

Berbekal alat baru ini, para peneliti melakukan beberapa pengukuran. Pada suhu terdingin, pemanasan lokal di satu wilayah menyebabkan gelombang suara kedua yang kuat. Saat medium mendekati suhu kritisnya, gelombang ini secara bertahap menjadi kurang signifikan dalam perpindahan panas dibandingkan dengan difusi sederhana. Di atas suhu kritis, mereka lenyap sama sekali. Tim juga mengamati perilaku anomali pada suhu kritis. “Hal serupa terjadi pada transisi fase apa pun, seperti air mendidih dalam ketel: Anda melihat gelembung – segalanya menjadi gila,” kata Zwierlein. Terakhir, mereka mengukur redaman suara kedua, yang timbul dari fakta bahwa meskipun komponen superfluida mengalir tanpa gesekan, namun fluida normal tidak.

Superkonduktor suhu tinggi dan bintang neutron

Para peneliti mengatakan teknik baru ini juga dapat diterapkan pada kondensat Bose-Einstein, dan juga dapat digunakan untuk menganalisis model superkonduktivitas suhu tinggi Fermi-Hubbard yang baru-baru ini dikembangkan. Selain itu, Zwierlein berpendapat bahwa “materi di dalam bintang neutron memiliki perilaku yang sangat mirip, yang mengejutkan, karena neutron-neutron ini juga berinteraksi dengan sangat kuat, jadi kita mempelajari sesuatu dari kepulan gas di laboratorium yang jutaan kali lebih tipis daripada udara. sesuatu tentang bintang neutron gila, yang sulit dijangkau.”

'Suara kedua' muncul di germanium

Hadzibabic, yang tidak terlibat dalam penelitian ini, terkesan. “Mereka tidak hanya melakukan termometri yang hebat di bawah nanokelvin – yang sulit dilakukan meskipun suhu di semua tempat sama – tetapi mereka juga dapat melakukannya secara lokal, yang merupakan kunci untuk melihat gelombang ini,” katanya. Dunia Fisika. “Jadi mereka bisa bilang di sini suhunya setengah nanokelvin lebih panas dan di sini, 20 mikron jauhnya, suhunya setengah nanokelvin lebih dingin.” Ia berharap dapat melihat teknik ini diterapkan “dalam sistem yang hanya sedikit kita ketahui dan keseluruhan sistemnya jauh dari keseimbangan”.

Penelitian ini dipublikasikan di Ilmu.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/