물리학자들은 두 번째 소리의 온도를 측정합니다 – Physics World

초유체에서 발생하는 이상한 유형의 열파인 "두 번째 소리"를 모니터링하는 새로운 기술이 미국 물리학자들에 의해 개발되었습니다. 이 연구는 고온 초전도체와 중성자 별을 포함하여 과학적으로 흥미롭지만 잘 이해되지 않은 다양한 시스템을 모델링하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"제1940의 소리"라는 용어는 XNUMX년대 소련 물리학자 Lev Landau가 그의 동료 László Tisza가 액체 헬륨의 기이한 특성을 두 가지 유체, 즉 정상 유체와 초유체의 혼합물로 간주하면 설명할 수 있다고 제안한 후 만들어졌습니다. 마찰 없이 흘러갔다. 이러한 배열은 초유체와 정상 유체가 반대 방향으로 흐를 경우 물질에 어떠한 명백한 교란도 발생하지 않지만 그럼에도 불구하고 정상 유체와 초유체 스위치가 위치할 때 열이 파동처럼 통과할 가능성을 발생시킵니다.

얼마 지나지 않아 또 다른 소련 물리학자인 바실리 페쉬코프(Vasily Peshkov)가 이를 실험적으로 확인했습니다. "그(Peshkov)는 말 그대로 초유체의 한쪽 면을 주기적으로 가열할 수 있었고 열이 그의 용기 내에서 정재파처럼 분포되는 것을 측정할 수 있었습니다."라고 말합니다. 마틴 즈비에를라인, 새로운 연구를 주도한 매사추세츠 공과대학(MIT)의 물리학자.

21세기에는 물리학자들과 같은 조란 하지바비치 영국 케임브리지 대학교; 데보라 진 미국 볼더 소재 JILA; 그리고 볼프강 케테를레 MIT의 연구진은 보스-아인슈타인 응축물과 강하게 상호작용하는 페르미 기체도 초유체 특성을 나타낸다는 사실을 입증함으로써 2013차 음향 연구에 새로운 차원을 도입했습니다. XNUMX 년에 루돌프 그림 오스트리아 인스브루크에 있는 극저온 원자 및 양자 가스 센터의 연구진은 이러한 시스템에서 두 번째 소리를 최초로 관찰했습니다. "[Grimm]은 열을 볼 수 없었지만 가스에 열 구배가 있을 때마다 가스가 압축 가능하기 때문에 밀도 구배도 동반됩니다"라고 Zwierlein은 설명합니다. "정상적인 소리의 속도보다 훨씬 느린 속도로 이동하는 밀도파가 있었고 이는 두 번째 소리와 관련이 있었습니다."

열 흐름의 직접 이미징

새로운 연구에서 Zwierlein과 동료들은 초저온 리튬-6 원자로 구성된 강하게 상호 작용하는 페르미 가스의 열 흐름을 이미지화했습니다. 이를 위해 그들은 원자를 상자 전위에 배치하고 원자의 소위 Feshbach 공명과 관련된 값으로 정확하게 조정된 자기장을 켰습니다. 이 공명에서 특정 임계 온도 이하의 페르미온 리튬-6 원자는 장거리에서 서로 상호 작용하여 초전도의 Bardeen-Cooper-Schrieffer 메커니즘과 유사한 메커니즘에 의해 보손 쌍을 형성할 수 있습니다. Zwierlein은 “초유체를 쌍의 구성 요소로, 일반 구성 요소를 짝을 이루지 않은 원자의 구성 요소로 생각하는 것은 약간 오해의 소지가 있지만 처음 이해하는 데 도움이 됩니다.”라고 설명합니다.

다음으로, 연구진은 짧은 무선 주파수(RF) 펄스를 가스에 적용했습니다. RF 방사선은 쌍을 이루지 않은 원자를 다른 초미세 상태로 여기시켜 쌍을 이룬 원자를 그대로 유지합니다. 그런 다음 연구원들은 레이저 광을 사용하여 두 그룹의 원자를 이미지화했습니다. Zwierlein은 “이러한 초미세 상태는 우리의 광학 프로브가 우리가 선택한 특정 초미세 상태에만 반응할 만큼 충분히 분할되어 있습니다.”라고 설명합니다. “원자가 많으면 어두운 그림자가 생깁니다. 원자가 거의 없는 곳에서는 빛이 통과합니다.” 결정적으로, 더 차가운 가스에는 RF의 영향을 받지 않는 쌍을 이루는 원자의 더 많은 부분이 포함되어 있기 때문에 이미지에는 가스 온도에 대한 정보가 포함됩니다. 따라서 연구자들은 매질이 가만히 있을 때에도 열 흐름을 직접적으로 이미지화할 수 있었습니다.

이 새로운 도구를 사용하여 연구원들은 몇 가지 측정을 수행했습니다. 가장 추운 온도에서 단일 영역을 국부적으로 가열하면 강한 두 번째 음파가 발생합니다. 매체가 임계 온도에 도달함에 따라 이러한 파동은 단순 확산에 비해 열 전달에 있어 점차 덜 중요해졌습니다. 임계 온도 이상에서는 완전히 사라졌습니다. 팀은 또한 임계 온도에서 변칙적인 행동을 관찰했습니다. "이것은 주전자에서 물이 끓는 것과 같은 모든 상전이와 유사합니다. 거품이 보이면 상황이 이상해집니다."라고 Zwierlein은 말합니다. 마지막으로 그들은 초유체 성분이 마찰 없이 흐르지만 일반 유체는 그렇지 않다는 사실에서 발생하는 두 번째 소리의 감쇠를 측정했습니다.

고온 초전도체와 중성자별

연구원들은 새로운 기술이 보스-아인슈타인 응축물에도 적용되어야 하며 최근 개발된 고온 초전도의 페르미-허바드 모델을 분석하는데도 사용될 수 있다고 말합니다. 더욱이 Zwierlein은 "중성자별 내부의 물질은 놀랍게도 행동이 매우 유사합니다. 왜냐하면 이들 중성자 역시 매우 강하게 상호 작용하기 때문입니다. 따라서 우리는 실험실에서 공기보다 백만 배 더 얇은 가스 퍼프에서 무언가를 배우고 있습니다. 도달하기 어려운 미친 중성자 별에 관한 것입니다.”

게르마늄에서 '두 번째 소리'가 나타난다

연구에 참여하지 않은 하지바빅(Hadzibabic)은 깊은 인상을 받았습니다. "온도가 모든 곳에서 동일하더라도 어려운 나노켈빈 미만의 뛰어난 온도 측정을 수행할 뿐만 아니라 추가적으로 로컬에서 수행할 수 있는데 이것이 이 파동을 보는 데 핵심입니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계. "그래서 그들은 여기가 20나노켈빈 더 뜨겁고, XNUMX미크론 떨어진 곳은 XNUMX나노켈빈 더 차갑다고 말할 수 있습니다." 그는 “우리가 잘 알지 못하고 전체 시스템이 평형 상태에서 멀리 떨어져 있는 시스템에” 적용되는 기술을 보기를 기대한다고 말합니다.

연구 결과는 과학.

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