I fisici misurano la temperatura del secondo suono – Physics World

Una nuova tecnica per monitorare il “secondo suono” – un bizzarro tipo di ondata di calore che si verifica nei superfluidi – è stata sviluppata dai fisici negli Stati Uniti. Il lavoro potrebbe aiutare a modellare una varietà di sistemi scientificamente interessanti e poco compresi, compresi i superconduttori ad alta temperatura e le stelle di neutroni.

Il termine “secondo suono” fu coniato dal fisico sovietico Lev Landau negli anni ’1940 dopo che il suo collega László Tisza suggerì che le bizzarre proprietà dell’elio liquido potessero essere spiegate considerandolo come una miscela di due fluidi: un fluido normale e un superfluido che scorreva senza attrito. Questa disposizione dà luogo alla possibilità che, se il superfluido e il fluido normale scorrono in direzioni opposte, il materiale non subirà alcun disturbo apparente, ma il calore lo attraverserà comunque come un'onda mentre il fluido normale e il superfluido si scambiano.

Poco dopo, un altro fisico sovietico, Vasilii Peshkov, lo confermò sperimentalmente. "Lui [Peshkov] era letteralmente in grado di riscaldare periodicamente il superfluido su un lato e misurare che il calore veniva distribuito come un'onda stazionaria nel suo contenitore", dice Martin Zwierlein, un fisico del Massachusetts Institute of Technology (MIT) che ha guidato il nuovo studio.

Nel 21° secolo, fisici come Zoran Hadzibabic dell'Università di Cambridge, Regno Unito; Debora Jin del JILA a Boulder, USA; E Wolfgang Ketterle del MIT ha introdotto una nuova dimensione nella ricerca sul suono dimostrando che anche i condensati di Bose-Einstein e i gas di Fermi fortemente interagenti mostrano proprietà superfluide. Nel 2013 Rodolfo Grimm del Centro per gli atomi ultrafreddi e i gas quantici di Innsbruck, in Austria, è stato il primo a osservare il secondo suono in un sistema del genere. "[Grimm] non poteva vedere il calore, ma ogni volta che si ha un gradiente di calore in un gas c'è anche un relativo gradiente di densità perché il gas è comprimibile", spiega Zwierlein. "C'era un'onda di densità che viaggiava ad una velocità molto più lenta della velocità del suono normale e che era associata al secondo suono."

Immagine diretta del flusso di calore

Nella nuova ricerca, Zwierlein e colleghi hanno ripreso il flusso di calore in un gas Fermi fortemente interagente composto da atomi di litio-6 ultrafreddi. Per fare ciò, hanno posizionato gli atomi in una scatola di potenziale e hanno acceso un campo magnetico sintonizzato con precisione su un valore associato alla cosiddetta risonanza Feshbach negli atomi. A questa risonanza, gli atomi fermionici di litio-6 al di sotto di una certa temperatura critica possono interagire tra loro a lungo raggio, formando coppie bosoniche mediante un meccanismo simile al meccanismo Bardeen-Cooper-Schrieffer nella superconduttività. "È un po' fuorviante, ma utile per una prima comprensione, pensare al superfluido come al componente di coppie e al componente normale come al componente di atomi spaiati", spiega Zwierlein.

Successivamente, i ricercatori hanno applicato al gas un breve impulso a radiofrequenza (RF). La radiazione RF ha eccitato gli atomi spaiati portandoli a un diverso stato iperfine, lasciando indisturbati gli atomi accoppiati. I ricercatori hanno quindi utilizzato la luce laser per visualizzare i due gruppi di atomi. "Questi stati iperfini sono sufficientemente divisi da far sì che la nostra sonda ottica risponda solo ai particolari stati iperfini che abbiamo selezionato", spiega Zwierlein. “Dove ci sono molti atomi, otteniamo un'ombra scura; dove non ci sono quasi atomi, la luce passa.” Fondamentalmente, poiché i gas più freddi contengono una frazione maggiore di atomi accoppiati che non sono influenzati dalla RF, le immagini contengono informazioni sulla temperatura del gas. I ricercatori hanno quindi potuto immaginare direttamente il flusso di calore, anche quando il mezzo rimaneva fermo.

Armati di questo nuovo strumento, i ricercatori hanno effettuato diverse misurazioni. Alle temperature più fredde, il riscaldamento locale di una singola regione ha causato forti seconde onde sonore. Quando il mezzo si avvicinava alla sua temperatura critica, queste onde diventavano gradualmente meno significative per il trasferimento di calore rispetto alla semplice diffusione. Al di sopra della temperatura critica, sono scomparsi del tutto. Il team ha anche osservato un comportamento anomalo alla temperatura critica. "È simile per qualsiasi transizione di fase, come l'acqua che bolle in un bollitore: vedi delle bolle e le cose impazziscono", dice Zwierlein. Infine, hanno misurato lo smorzamento del secondo suono, che deriva dal fatto che sebbene la componente superfluida scorra senza attrito, il fluido normale no.

Superconduttori ad alta temperatura e stelle di neutroni

I ricercatori affermano che la nuova tecnica dovrebbe applicarsi anche ai condensati di Bose-Einstein e potrebbe essere utilizzata anche per analizzare il modello Fermi-Hubbard della superconduttività ad alta temperatura recentemente sviluppato. Inoltre, Zwierlein suggerisce che "la materia all'interno di una stella di neutroni ha un comportamento molto simile, sorprendentemente, perché anche questi neutroni interagiscono in modo molto forte, quindi stiamo imparando qualcosa dal nostro sbuffo di gas in laboratorio che è un milione di volte più sottile dell'aria". qualcosa sulle stelle di neutroni pazze, difficili da raggiungere.

'Secondo suono' appare in germanio

Hadzibabic, che non è stato coinvolto nello studio, è impressionato. "Non solo riescono a ottenere un'ottima termometria al di sotto di un nanokelvin - il che è difficile anche se la temperatura è la stessa ovunque - ma possono anche farlo localmente, il che è fondamentale per vedere quest'onda", dice Mondo della fisica. "Quindi possono dire che qui è mezzo nanokelvin più caldo e qui, a 20 micron di distanza, è mezzo nanokelvin più freddo." Dice che non vede l’ora di vedere la tecnica applicata “in sistemi di cui sappiamo molto meno e dove l’intero sistema è lontano dall’equilibrio”.

La ricerca è pubblicata in Scienze.

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