Fizycy mierzą temperaturę drugiego dźwięku – Świata Fizyki

Fizycy z USA opracowali nową technikę monitorowania „drugiego dźwięku” – dziwnego rodzaju fali upałów występującej w cieczach nadciekłych. Prace mogą pomóc w modelowaniu szeregu interesujących z naukowego punktu widzenia i słabo poznanych układów, w tym nadprzewodników wysokotemperaturowych i gwiazd neutronowych.

Termin „drugi dźwięk” został ukuty przez radzieckiego fizyka Leva Landaua w latach czterdziestych XX wieku po tym, jak jego kolega László Tisza zasugerował, że dziwaczne właściwości ciekłego helu można wyjaśnić, rozważając go jako mieszaninę dwóch płynów: normalnego płynu i nadcieku, który płynął bez tarcia. Takie ustawienie stwarza możliwość, że jeśli płyn nadciekły i normalny przepływają w przeciwnych kierunkach, materiał nie doświadczy żadnych widocznych zaburzeń, ale mimo to ciepło będzie przez niego przechodzić jak fala, gdy nastąpi zamiana normalnego płynu i nadcieku.

Niedługo potem inny radziecki fizyk Wasilij Peszkow potwierdził to eksperymentalnie. „On [Peszkow] dosłownie był w stanie okresowo podgrzewać nadciecz z jednej strony i mierzyć, czy ciepło rozprowadzało się w jego pojemniku niczym fala stojąca” – mówi Marcin Zwierlein, fizyk z Massachusetts Institute of Technology (MIT), który kierował nowym badaniem.

W XXI wieku fizycy tacy jak Zoran Hadzibabić z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii; Debora Jin JILA w Boulder, USA; I Wolfganga Ketterle'a MIT nadało nowy wymiar drugim rozsądnym badaniom, wykazując, że kondensaty Bosego-Einsteina i silnie oddziałujące gazy Fermiego również wykazują właściwości nadciekłe. W 2013 Rudolfa Grimma z Centrum Ultrazimnych Atomów i Gazów Kwantowych w Innsbrucku w Austrii jako pierwszy zaobserwował drugi dźwięk w takim układzie. „[Grimm] nie widział ciepła, ale zawsze, gdy w gazie występuje gradient ciepła, towarzyszy mu również gradient gęstości, ponieważ gaz jest ściśliwy” – wyjaśnia Zwierlein. „Występowała fala gęstości przemieszczającej się z prędkością znacznie mniejszą niż prędkość normalnego dźwięku, co było powiązane z drugim dźwiękiem”.

Bezpośrednie obrazowanie przepływu ciepła

W ramach nowych badań Zwierlein i współpracownicy zobrazowali przepływ ciepła w silnie oddziałującym gazie Fermiego złożonym z ultrazimnych atomów litu-6. W tym celu umieścili atomy w potencjale pudełkowym i włączyli pole magnetyczne precyzyjnie dostrojone do wartości związanej z tak zwanym rezonansem Feshbacha w atomach. W przypadku tego rezonansu atomy fermionowego litu-6 poniżej pewnej temperatury krytycznej mogą oddziaływać ze sobą na duże odległości, tworząc pary bozonowe za pomocą mechanizmu podobnego do mechanizmu Bardeena-Coopera-Schrieffera w nadprzewodnictwie. „Myślenie o płynie nadciekłym jako o składniku par, a o składniku normalnym jako o składniku niesparowanych atomów jest trochę mylące, ale pomocne w pierwszym zrozumieniu” – wyjaśnia Zwierlein.

Następnie badacze zastosowali do gazu krótki impuls o częstotliwości radiowej (RF). Promieniowanie RF wzbudziło niesparowane atomy do innego stanu nadsubtelnego, pozostawiając sparowane atomy w nienaruszonym stanie. Następnie badacze wykorzystali światło lasera do zobrazowania dwóch grup atomów. „Te stany nadsubtelne są rozdzielone na tyle, że nasza sonda optyczna reaguje tylko na wybrane przez nas stany nadsubtelne” – wyjaśnia Zwierlein. „Gdzie jest dużo atomów, pojawia się ciemny cień; tam, gdzie prawie nie ma atomów, światło przechodzi.” Co najważniejsze, ponieważ zimniejsze gazy zawierają większą część sparowanych atomów, na które RF nie ma wpływu, obrazy zawierają informacje o temperaturze gazu. Naukowcy mogli zatem bezpośrednio obrazować przepływ ciepła, nawet gdy ośrodek pozostawał nieruchomy.

Uzbrojeni w to nowe narzędzie naukowcy dokonali kilku pomiarów. W najzimniejszych temperaturach lokalne ogrzewanie jednego regionu powodowało silne drugie fale dźwiękowe. Gdy ośrodek zbliżał się do temperatury krytycznej, fale te stawały się stopniowo mniej istotne dla wymiany ciepła w porównaniu z prostą dyfuzją. Powyżej temperatury krytycznej zanikły całkowicie. Zespół zaobserwował także anomalne zachowanie w temperaturze krytycznej. „Podobnie jest z każdą przemianą fazową, np. z gotującą się wodą w czajniku: widzisz bąbelki – wszystko wariuje” – mówi Zwierlein. Na koniec zmierzyli tłumienie drugiego dźwięku, które wynika z faktu, że chociaż składnik nadciekły przepływa bez tarcia, normalny płyn nie.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe i gwiazdy neutronowe

Naukowcy twierdzą, że nową technikę należy zastosować również do kondensatów Bosego-Einsteina, a także można ją wykorzystać do analizy niedawno opracowanego modelu nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego Fermiego-Hubbarda. Co więcej, Zwierlein sugeruje, że „materia wewnątrz gwiazdy neutronowej zachowuje się bardzo podobnie, co zaskakujące, ponieważ te neutrony również bardzo silnie oddziałują, więc uczymy się czegoś z naszego laboratoryjnego obłoku gazu, który jest milion razy rzadszy od powietrza coś o szalonych gwiazdach neutronowych, do których trudno dotrzeć.”

„Drugi dźwięk” pojawia się w języku germańskim

Hadzibabic, który nie brał udziału w badaniu, jest pod wrażeniem. „Nie chodzi tylko o to, że wykonują świetną termometrię poniżej nanokelwina – co jest trudne, nawet jeśli wszędzie jest taka sama temperatura – ale dodatkowo mogą to zrobić lokalnie, co jest kluczem do zobaczenia tej fali” – mówi. Świat Fizyki. „Mogą więc powiedzieć, że tutaj jest o pół nanokelwina cieplej, a tutaj, w odległości 20 mikronów, jest o pół nanokelwina zimniej”. Mówi, że nie może się doczekać zastosowania tej techniki „w systemach, o których wiemy znacznie mniej i gdzie cały system jest daleki od równowagi”.

Badania są publikowane w 2007 roku nauka.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/