פיזיקאים לוקחים את הטמפרטורה של צליל שני - עולם הפיזיקה

טכניקה חדשה לניטור "צליל שני" - סוג מוזר של גל חום המתרחש בנוזלי-על - פותחה על ידי פיזיקאים בארה"ב. העבודה יכולה לסייע במודל של מגוון מערכות מעניינות מבחינה מדעית ולא מובנות היטב, כולל מוליכים בטמפרטורה גבוהה וכוכבי נויטרונים.

המונח "צליל שני" נטבע על ידי הפיזיקאי הסובייטי לב לנדאו בשנות ה-1940 לאחר שעמיתו לסלו טיסה הציע שניתן להסביר את התכונות המוזרות של הליום נוזלי על ידי התייחסות אליו כתערובת של שני נוזלים: נוזל רגיל ונוזל-על. זרם ללא חיכוך. סידור זה מוביל לאפשרות שאם הנוזל העל והנוזל הרגיל זורמים בכיוונים מנוגדים, החומר לא יחווה שום הפרעה נראית לעין, אך חום בכל זאת יעבור דרכו כמו גל כאשר הנוזל והנוזל הרגיל מחליפים.

זמן קצר לאחר מכן, פיזיקאי סובייטי אחר, וסילי פשקוב, אישר זאת בניסוי. "הוא [פשקוב] ממש הצליח לחמם את הנוזל העל מדי פעם בצד אחד ולמדוד שהחום התפזר כמו גל עומד במיכל שלו", אומר מרטין זווירליין, פיזיקאי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) שהוביל את המחקר החדש.

במאה ה-21, פיזיקאים כגון צורן חדזיבאביק מאוניברסיטת קיימברידג', בריטניה; דבורה ג'ין של JILA בבולדר, ארה"ב; ו וולפגנג קטרל מ-MIT הציגה מימד חדש למחקר סאונד שני על ידי הדגמה כי Bose–Einstein מעבה וגזי פרמי בעלי אינטראקציה חזקה מציגים גם תכונות על נוזלים. ב -2013 רודולף גרים של המרכז לאטומים אולטרה-קרים וגזים קוונטיים באינסברוק, אוסטריה הפך לראשון שצפה בצליל שני במערכת כזו. "[גרים] לא יכול היה לראות את החום, אבל בכל פעם שיש לך שיפוע חום בגז יש גם שיפוע צפיפות נלווה מכיוון שהגז ניתן לדחיסה", מסביר זווירליין. "היה גל צפיפות נע במהירות הרבה יותר איטית ממהירות הקול הרגיל וזה היה קשור לצליל שני."

הדמיה ישירה של זרימת חום

במחקר החדש, Zwierlein ועמיתיו דילמו זרימת חום בגז פרמי בעל אינטראקציה חזקה המורכב מאטומי ליתיום-6 קרים במיוחד. לשם כך, הם הציבו את האטומים בפוטנציאל קופסה והפעילו שדה מגנטי המכוון במדויק לערך הקשור למה שנקרא תהודה פשבך באטומים. בתהודה זו, אטומי ליתיום-6 פרמיוניים מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת יכולים לקיים אינטראקציה זה עם זה בטווח ארוך, וליצור זוגות בוזונים על ידי מנגנון הדומה למנגנון ברדין-קופר-שריפר במוליכות-על. "זה קצת מטעה אבל מועיל להבנה ראשונה לחשוב על הנוזל העל כמרכיב של זוגות והרכיב הנורמלי כמרכיב של אטומים לא מזווגים", מסביר זווירליין.

לאחר מכן, החוקרים הפעילו פעימה קצרה בתדר רדיו (RF) על הגז. קרינת ה-RF עוררה את האטומים הלא מזווגים למצב היפר-דק שונה, והותירה את האטומים המזווגים ללא הפרעה. לאחר מכן השתמשו החוקרים באור לייזר כדי לצלם את שתי קבוצות האטומים. "מצבי היפר-עדין אלו מפוצלים מספיק כדי שהבדיקה האופטית שלנו מגיבה רק למצבי היפר-עדין המסוימים שבחרנו", מסביר זווירליין. "איפה שיש הרבה אטומים, אנחנו מקבלים צל כהה; במקום שאין כמעט אטומים, האור עובר דרכו." באופן מכריע, מכיוון שגזים קרים יותר מכילים חלק גדול יותר של אטומים מזווגים שאינם מושפעים מה-RF, התמונות מכילות מידע על טמפרטורת הגז. לכן החוקרים יכלו לדמיין זרימת חום ישירות, גם כשהמדיום נשאר דומם.

חמושים בכלי החדש הזה, החוקרים ביצעו מספר מדידות. בטמפרטורות הקרות ביותר, חימום מקומי של אזור בודד גרם לגלי קול שניים חזקים. כשהמדיום התקרב לטמפרטורה הקריטית שלו, גלים אלה הפכו פחות משמעותיים בהדרגה להעברת חום בהשוואה לדיפוזיה פשוטה. מעל הטמפרטורה הקריטית, הם נעלמו כליל. הצוות גם צפה בהתנהגות חריגה בטמפרטורה הקריטית. "זה דומה לכל מעבר פאזה כמו מים רותחים בקומקום: אתה רואה בועות - דברים משתגעים", אומר זוויירליין. לבסוף, הם מדדו את שיכוך הצליל השני, הנובעת מהעובדה שלמרות שהרכיב הנוזל העל זורם ללא חיכוך, הנוזל הרגיל לא.

מוליכים בטמפרטורה גבוהה וכוכבי נויטרונים

החוקרים אומרים שהטכניקה החדשה צריכה לחול גם על עיבוי Bose-Einstein, ויכולה לשמש גם לניתוח מודל Fermi-Hubbard שפותח לאחרונה של מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה. יתר על כן, זוויירליין מציע ש"חומר בתוך כוכב נויטרונים דומה מאוד בהתנהגותו, באופן מפתיע, מכיוון שהנייטרונים הללו גם מקיימים אינטראקציה חזקה מאוד, אז אנחנו לומדים משהו מהגז שלנו במעבדה שהוא דליל פי מיליון מאוויר משהו על כוכבי נויטרונים מטורפים, שקשה להגיע אליהם".

'צליל שני' מופיע בגרמניום

חדזיבאביק, שלא היה מעורב במחקר, מתרשם. "זה לא רק שהם עושים תרמומטריה מצוינת מתחת לננוקלווין - וזה קשה גם אם הטמפרטורה זהה בכל מקום - אלא בנוסף הם יכולים לעשות זאת באופן מקומי, וזה המפתח לראות את הגל הזה", הוא אומר עולם הפיזיקה. "אז הם יכולים לומר שכאן חם יותר בחצי ננוקלווין וכאן, במרחק של 20 מיקרון משם, קר יותר בחצי ננוקלווין." הוא אומר שהוא מצפה לראות את הטכניקה מיושמת "במערכות שעליהן אנחנו יודעים הרבה פחות ושכל המערכת רחוקה משיווי משקל".

המחקר פורסם ב מדע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/