Natuurkundigen nemen de temperatuur van het tweede geluid – Physics World

Een nieuwe techniek voor het monitoren van ‘tweede geluid’ – een bizar soort hittegolf die voorkomt in supervloeistoffen – is ontwikkeld door natuurkundigen in de VS. Het werk zou kunnen helpen bij het modelleren van een verscheidenheid aan wetenschappelijk interessante en slecht begrepen systemen, waaronder supergeleiders op hoge temperatuur en neutronensterren.

De term ‘tweede geluid’ werd in de jaren veertig bedacht door de Sovjet-natuurkundige Lev Landau, nadat zijn collega László Tisza suggereerde dat de bizarre eigenschappen van vloeibaar helium verklaard zouden kunnen worden door het te beschouwen als een mengsel van twee vloeistoffen: een normale vloeistof en een supervloeistof die stroomde zonder wrijving. Deze opstelling geeft aanleiding tot de mogelijkheid dat, als het superfluïde en het normale fluïdum in tegengestelde richtingen stromen, het materiaal geen enkele duidelijke verstoring zal ervaren, maar er toch warmte doorheen zal gaan als een golf zoals de normale fluïdum- en superfluïdum-schakelaar plaatsvindt.

Kort daarna bevestigde een andere Sovjet-fysicus, Vasilii Peshkov, dit experimenteel. “Hij [Peshkov] was letterlijk in staat om de supervloeistof periodiek aan één kant te verwarmen en te meten dat de warmte zich als een staande golf in zijn container verspreidde”, zegt Martin Zwierlein, een natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) die de nieuwe studie leidde.

In de 21e eeuw hebben natuurkundigen zoals Zoran Hadzibabic van de Universiteit van Cambridge, VK; Deborah Jin van JILA in Boulder, VS; En Wolfgang Ketterle van MIT introduceerde een nieuwe dimensie in het tweede gedegen onderzoek door aan te tonen dat Bose-Einstein-condensaten en sterk op elkaar inwerkende Fermi-gassen ook superfluïde eigenschappen vertonen. In 2013 Rudolf Grimm van het Centrum voor Ultrakoude Atomen en Kwantumgassen in Innsbruck, werd Oostenrijk de eerste die een tweede geluid in een dergelijk systeem waarnam. “[Grimm] kon de hitte niet zien, maar als je een warmtegradiënt in een gas hebt, is er ook een bijbehorende dichtheidsgradiënt omdat het gas samendrukbaar is”, legt Zwierlein uit. “Er was een voortbewegende dichtheidsgolf met een snelheid die veel lager was dan de snelheid van normaal geluid, en dat werd geassocieerd met tweede geluid.”

Directe beeldvorming van de warmtestroom

In het nieuwe onderzoek brachten Zwierlein en collega's de warmtestroom in beeld in een sterk interactief Fermi-gas dat bestaat uit ultrakoude lithium-6-atomen. Om dit te doen, plaatsten ze de atomen in een boxpotentiaal en schakelden ze een magnetisch veld in dat nauwkeurig was afgestemd op een waarde die geassocieerd was met een zogenaamde Feshbach-resonantie in de atomen. Bij deze resonantie kunnen fermionische lithium-6-atomen onder een bepaalde kritische temperatuur op lange afstand met elkaar interageren, waardoor bosonische paren worden gevormd door een mechanisme dat lijkt op het Bardeen-Cooper-Schrieffer-mechanisme in supergeleiding. “Het is een beetje misleidend, maar voor het eerste begrip nuttig om de superfluïde te beschouwen als de component van paren en de normale component als de component van ongepaarde atomen”, legt Zwierlein uit.

Vervolgens pasten de onderzoekers een korte radiofrequentie (RF) puls toe op het gas. De RF-straling bracht de ongepaarde atomen in een andere hyperfijne toestand, waardoor de gepaarde atomen ongemoeid bleven. De onderzoekers gebruikten vervolgens laserlicht om de twee groepen atomen in beeld te brengen. “Deze hyperfijne toestanden zijn zo gesplitst dat onze optische sonde alleen reageert op de specifieke hyperfijne toestanden die we hebben geselecteerd”, legt Zwierlein uit. “Waar er veel atomen zijn, krijgen we een donkere schaduw; waar bijna geen atomen zijn, gaat het licht door.” Omdat koudere gassen een groter deel van gepaarde atomen bevatten die niet worden beïnvloed door de RF, bevatten de beelden informatie over de temperatuur van het gas. De onderzoekers konden de warmtestroom daardoor direct in beeld brengen, zelfs als het medium stilstond.

Gewapend met dit nieuwe instrument voerden de onderzoekers verschillende metingen uit. Bij de koudste temperaturen veroorzaakte het lokaal verwarmen van een enkele regio sterke tweede geluidsgolven. Toen het medium zijn kritische temperatuur naderde, werden deze golven geleidelijk minder belangrijk voor warmteoverdracht vergeleken met eenvoudige diffusie. Boven de kritische temperatuur verdwenen ze helemaal. Het team observeerde ook afwijkend gedrag bij de kritische temperatuur. “Het is vergelijkbaar met elke faseovergang, zoals water dat in een ketel kookt: je ziet belletjes – dingen worden gek”, zegt Zwierlein. Ten slotte maten ze de demping van het tweede geluid, die voortkomt uit het feit dat hoewel de superfluïde component zonder wrijving stroomt, de normale vloeistof dat niet doet.

Supergeleiders op hoge temperatuur en neutronensterren

De onderzoekers zeggen dat de nieuwe techniek ook zou moeten worden toegepast op Bose-Einstein-condensaten, en ook zou kunnen worden gebruikt voor het analyseren van het recent ontwikkelde Fermi-Hubbard-model van supergeleiding bij hoge temperaturen. Bovendien suggereert Zwierlein dat “de materie in een neutronenster, verrassend genoeg, qua gedrag erg op elkaar lijkt, omdat deze neutronen ook een zeer sterke interactie hebben, dus we leren iets van ons gaswolkje in het laboratorium dat een miljoen keer dunner is dan lucht. iets over gekke neutronensterren, die moeilijk te bereiken zijn.”

'Tweede klank' verschijnt in germanium

Hadzibabic, die niet bij het onderzoek betrokken was, is onder de indruk. “Het is niet alleen zo dat ze geweldige thermometrie onder een nanokelvin uitvoeren – wat moeilijk is, zelfs als de temperatuur overal hetzelfde is – maar bovendien kunnen ze het lokaal doen, wat essentieel is voor het zien van deze golf”, vertelt hij. Natuurkunde wereld. “Dus ze kunnen zeggen dat het hier een halve nanokelvin heter is en hier, 20 micron verderop, een halve nanokelvin kouder.” Hij zegt dat hij ernaar uitkijkt de techniek toegepast te zien “in systemen waarover we veel minder weten en waar het hele systeem verre van evenwicht is”.

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/