物理学者が2番目の音の温度を測定 – Physics World

超流動体中で発生する奇妙なタイプの熱波である「第二の音」を監視するための新しい技術が、米国の物理学者によって開発された。この研究は、高温超伝導体や中性子星など、科学的に興味深く、あまり理解されていないさまざまなシステムをモデル化するのに役立つ可能性がある。

「第 1940 音」という用語は、XNUMX 年代にソビエトの物理学者レフ・ランダウによって造られました。彼の同僚ラースロー・ティッサが、液体ヘリウムの奇妙な性質は、液体ヘリウムを XNUMX つの流体の混合物と考えることで説明できるかもしれないと示唆した後です。通常の流体と超流体です。摩擦なく流れました。この配置により、超流体と通常の流体が反対方向に流れる場合、材料は明らかな乱れを経験しないが、それでも通常の流体と超流体が切り替わるときに熱が波のように材料を通過する可能性が生じます。

その直後、別のソ連の物理学者ワシリー・ペシコフが実験的にこれを確認した。 「彼（ペシコフ）は文字通り、超流動体の片側を定期的に加熱し、その熱が容器内で定在波のように分布していることを測定することができました」と彼は言う。 マルティン・ツヴィアライン、新しい研究を主導したマサチューセッツ工科大学（MIT）の物理学者。

21世紀には、次のような物理学者が ゾラン・ハジバビッチ 英国ケンブリッジ大学の博士号。 デボラ・ジン 米国ボルダーのJILAのそして ヴォルフガング・ケッターレ マサチューセッツ工科大学の博士らは、ボース・アインシュタイン凝縮体と強く相互作用するフェルミ気体も超流動特性を示すことを実証し、二次音響研究に新たな次元を導入しました。 2013年に ルドルフ・グリム オーストリアのインスブルックにある超低温原子・量子ガスセンターの研究者らは、このようなシステムで第 2 音を初めて観測した。 「[グリム]は熱を見ることができませんでしたが、気体に熱勾配があるときは常に、それに伴う密度勾配も発生します。これは、気体が圧縮性であるためです」とツヴィアライン氏は説明します。 「通常の音の速度よりもはるかに遅い速度で進行する密度波があり、それは第二の音に関連していました。」

熱流の直接イメージング

新しい研究で、Zwierleinらは、極低温のリチウム6原子で構成される強く相互作用するフェルミガス中の熱流を画像化した。これを行うために、彼らは原子をボックスポテンシャル内に置き、原子内のいわゆるフェシュバッハ共鳴に関連する値に正確に調整された磁場のスイッチを入れました。この共鳴では、特定の臨界温度以下のフェルミオン性リチウム 6 原子が長距離で相互作用し、超伝導におけるバーディーン・クーパー・シュリーファー機構に似た機構によりボソン粒子ペアを形成します。 「少し誤解を招きやすいですが、超流体を対の成分として、通常成分を不対原子の成分として考えると、最初の理解には役立ちます」とツヴィアライン氏は説明する。

次に研究者らは、ガスに短い高周波 (RF) パルスを加えました。 RF 放射は、対になっていない原子を別の超微細状態に励起し、対になっている原子を乱さないままにしました。次に、研究者らはレーザー光を使用して 2 つの原子グループを画像化しました。 「これらの超微細状態は十分に分割されているため、光学プローブは選択した特定の超微細状態にのみ応答します」とツヴィアライン氏は説明します。 「原子がたくさんあるところには暗い影ができます。原子がほとんど存在しない場所では、光は通過します。」重要なのは、低温のガスには RF の影響を受けないペア原子が多く含まれるため、画像にはガスの温度に関する情報が含まれることです。したがって、研究者らは、媒体が静止しているときでも、熱の流れを直接画像化することができました。

この新しいツールを使用して、研究者たちはいくつかの測定を行いました。最も低い温度では、単一領域を局所的に加熱すると、強い第 2 音波が発生しました。媒体が臨界温度に近づくにつれて、これらの波は単純な拡散と比較して熱伝達にとって徐々に重要でなくなりました。臨界温度を超えると、それらは完全に消滅しました。研究チームは臨界温度での異常な挙動も観察した。 「これは、やかんで水が沸騰するような相転移でも同様です。泡が見え、物事がおかしくなります」とツヴィアライン氏は言う。最後に、超流体成分は摩擦なしで流れるが、通常の流体は摩擦なしで流れるという事実から生じる 2 番目の音の減衰を測定しました。

高温超伝導体と中性子星

研究者らは、この新しい技術はボース・アインシュタイン凝縮にも適用できるはずで、最近開発された高温超伝導のフェルミ・ハバードモデルの解析にも使用できる可能性があると述べている。さらにツヴィアライン氏は、「驚くべきことに、中性子星の内部の物質は挙動が非常に似ている。中性子同士も非常に強く相互作用しているため、我々は空気よりも100万倍薄い実験室のガスから何かを学んでいるのだ」と示唆している。到達するのが難しいクレイジーな中性子星についての何かです。」

ゲルマニウムに「第二の音」が出現

この研究には関与していなかったハジバビッチ氏は感銘を受けている。 「ナノケルビン以下で優れた温度測定を行うだけでなく、たとえ温度がどこでも同じであっても難しいのですが、さらに局所的に測定できることが、この波を見るための鍵となります」と彼は言う。 物理学の世界。 「つまり、ここでは半分ナノケルビン高く、20ミクロン離れたここでは半分ナノケルビン低いと言えます。」同氏は、この技術が「私たちの知識がはるかに少なく、システム全体が平衡から程遠いシステム」に適用されるのを楽しみにしていると述べた。

この研究は 科学.

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