Fysikere tar temperaturen til andre lyd – Physics World

En ny teknikk for å overvåke «andre lyd» – en bisarr type hetebølge som oppstår i supervæsker – er utviklet av fysikere i USA. Arbeidet kan bidra til å modellere en rekke vitenskapelig interessante og dårlig forstått systemer, inkludert høytemperatursuperledere og nøytronstjerner.

Begrepet "andre lyd" ble laget av den sovjetiske fysikeren Lev Landau på 1940-tallet etter at hans kollega László Tisza foreslo at de bisarre egenskapene til flytende helium kan forklares ved å betrakte det som en blanding av to væsker: en normal væske og en supervæske som fløt uten friksjon. Dette arrangementet gir opphav til muligheten for at hvis superfluid og normal fluid strømmer i motsatte retninger, vil materialet ikke oppleve noen tilsynelatende forstyrrelse, men varme vil likevel passere gjennom det som en bølge når normal fluid og superfluid bytter plass.

Kort tid etter bekreftet en annen sovjetisk fysiker, Vasilii Peshkov, dette eksperimentelt. "Han [Peshkov] var bokstavelig talt i stand til å varme opp supervæsken med jevne mellomrom på den ene siden og måle at varmen ble fordelt som en stående bølge i beholderen hans," sier Martin Zwierlein, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) som ledet den nye studien.

I det 21. århundre var fysikere som f.eks Zoran Hadzibabic ved University of Cambridge, Storbritannia; Deborah Jin av JILA i Boulder, USA; og Wolfgang Ketterle fra MIT introduserte en ny dimensjon til andre lydforskning ved å demonstrere at Bose–Einstein-kondensater og sterkt interagerende Fermi-gasser også viser superfluid-egenskaper. I 2013 Rudolf Grimm ved Center for Ultracold Atoms and Quantum Gases i Innsbruck, Østerrike ble den første til å observere andre lyd i et slikt system. "[Grimm] kunne ikke se varmen, men når du har en varmegradient i en gass, er det også en medfølgende tetthetsgradient fordi gassen er komprimerbar," forklarer Zwierlein. "Det var en reisetetthetsbølge med en hastighet som var mye lavere enn hastigheten til normal lyd, og det var assosiert med andre lyd."

Direkte avbildning av varmestrøm

I den nye forskningen avbildet Zwierlein og kolleger varmestrøm i en sterkt interagerende Fermi-gass sammensatt av ultrakalde litium-6-atomer. For å gjøre dette plasserte de atomene i et bokspotensial og satte på et magnetfelt nøyaktig innstilt på en verdi assosiert med en såkalt Feshbach-resonans i atomene. Ved denne resonansen kan fermioniske litium-6-atomer under en viss kritisk temperatur samhandle med hverandre på lang rekkevidde, og danne bosoniske par ved en mekanisme som ligner Bardeen-Cooper-Schrieffer-mekanismen i superledning. "Det er litt misvisende, men nyttig for første forståelse å tenke på superfluiden som komponenten av par og den normale komponenten som komponenten av uparede atomer," forklarer Zwierlein.

Deretter brukte forskerne en kort radiofrekvens (RF) puls på gassen. RF-strålingen eksiterte de uparrede atomene til en annen hyperfin tilstand, og etterlot de parede atomene uforstyrret. Forskerne brukte deretter laserlys for å avbilde de to gruppene av atomer. "Disse hyperfine tilstandene er delt nok til at den optiske sonden vår bare reagerer på de spesielle hyperfine tilstandene vi valgte," forklarer Zwierlein. «Der det er mange atomer, får vi en mørk skygge; der det nesten ikke er atomer, passerer lyset gjennom.» Avgjørende, fordi kaldere gasser inneholder en større andel av sammenkoblede atomer som ikke er påvirket av RF, inneholder bildene informasjon om gassens temperatur. Forskerne kunne derfor avbilde varmestrømmen direkte, selv når mediet holdt seg stille.

Bevæpnet med dette nye verktøyet gjorde forskerne flere målinger. Ved de kaldeste temperaturene forårsaket lokal oppvarming av en enkelt region sterke andre lydbølger. Etter hvert som mediet nærmet seg sin kritiske temperatur, ble disse bølgene gradvis mindre betydningsfulle for varmeoverføring sammenlignet med enkel diffusjon. Over den kritiske temperaturen forsvant de helt. Teamet observerte også unormal oppførsel ved den kritiske temperaturen. "Det er likt for enhver faseovergang som vann som koker i en vannkoker: du ser bobler - ting går gale," sier Zwierlein. Til slutt målte de dempingen av den andre lyden, som oppstår fra det faktum at selv om superfluidkomponenten strømmer uten friksjon, gjør det ikke den normale væsken.

Høytemperatursuperledere og nøytronstjerner

Forskerne sier at den nye teknikken bør gjelde for Bose-Einstein-kondensat også, og kan også brukes til å analysere den nylig utviklede Fermi-Hubbard-modellen for høytemperatursuperledning. Dessuten antyder Zwierlein at "stoff inne i en nøytronstjerne er svært lik i oppførsel, overraskende nok, fordi disse nøytronene også interagerer veldig sterkt, så vi lærer noe fra gassdraget vårt i laboratoriet som er en million ganger tynnere enn luft noe med gale nøytronstjerner, som det er vanskelig å komme til.»

'Andre lyd' vises i germanium

Hadzibabic, som ikke var involvert i studien, er imponert. "Det er ikke bare det at de utfører god termometri under en nanokelvin - noe som er vanskelig selv om temperaturen er den samme overalt - men i tillegg kan de gjøre det lokalt, noe som er nøkkelen for å se denne bølgen," forteller han Fysikkens verden. "Så de kan si at her er det en halv nanokelvin varmere og her, 20 mikron unna, er det en halv nanokelvin kaldere." Han sier at han ser frem til å se teknikken brukes «i systemer som vi vet langt mindre om og hvor hele systemet er langt fra likevekt».

Forskningen er publisert i Vitenskap.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/