Físicos medem a temperatura do segundo som – Physics World

Uma nova técnica para monitorar o “segundo som” – um tipo bizarro de onda de calor que ocorre em superfluidos – foi desenvolvida por físicos nos EUA. O trabalho poderá ajudar a modelar uma variedade de sistemas cientificamente interessantes e pouco compreendidos, incluindo supercondutores de alta temperatura e estrelas de nêutrons.

O termo “segundo som” foi cunhado pelo físico soviético Lev Landau na década de 1940, depois que seu colega László Tisza sugeriu que as propriedades bizarras do hélio líquido poderiam ser explicadas considerando-o como uma mistura de dois fluidos: um fluido normal e um superfluido que fluiu sem atrito. Este arranjo dá origem à possibilidade de que, se o superfluido e o fluido normal fluírem em direções opostas, o material não sofrerá qualquer perturbação aparente, mas mesmo assim o calor passará através dele como uma onda à medida que o fluido normal e o superfluido trocam de lugar.

Pouco depois, outro físico soviético, Vasilii Peshkov, confirmou isto experimentalmente. “Ele [Peshkov] literalmente foi capaz de aquecer o superfluido periodicamente de um lado e medir que o calor era distribuído como uma onda estacionária em seu recipiente”, diz Martin Zwierlein, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) que liderou o novo estudo.

No século 21, físicos como Zoran Hadzibabic da Universidade de Cambridge, Reino Unido; Débora Jin da JILA em Boulder, EUA; e Wolfgang Ketterle do MIT introduziu uma nova dimensão à segunda pesquisa sonora, demonstrando que os condensados ​​​​de Bose-Einstein e os gases Fermi de forte interação também apresentam propriedades superfluidas. Em 2013 Rodolfo Grimm do Centro para Átomos Ultrafrios e Gases Quânticos em Innsbruck, a Áustria tornou-se o primeiro a observar o segundo som em tal sistema. “[Grimm] não conseguia ver o calor, mas sempre que há um gradiente de calor num gás, há também um gradiente de densidade que o acompanha porque o gás é compressível”, explica Zwierlein. “Havia uma onda de densidade viajando a uma velocidade muito mais lenta do que a velocidade do som normal e isso estava associado ao segundo som.”

Imagem direta do fluxo de calor

Na nova pesquisa, Zwierlein e colegas visualizaram o fluxo de calor em um gás Fermi de forte interação composto por átomos ultrafrios de lítio-6. Para fazer isso, eles colocaram os átomos em um potencial de caixa e ativaram um campo magnético precisamente sintonizado em um valor associado à chamada ressonância de Feshbach nos átomos. Nesta ressonância, os átomos fermiônicos de lítio-6 abaixo de uma certa temperatura crítica podem interagir uns com os outros a longo alcance, formando pares bosônicos por um mecanismo semelhante ao mecanismo Bardeen-Cooper-Schrieffer na supercondutividade. “É um pouco enganador, mas útil para uma primeira compreensão pensar no superfluido como o componente de pares e no componente normal como o componente de átomos desemparelhados”, explica Zwierlein.

Em seguida, os pesquisadores aplicaram um pulso curto de radiofrequência (RF) ao gás. A radiação RF excitou os átomos desemparelhados para um estado hiperfino diferente, deixando os átomos emparelhados intactos. Os pesquisadores então usaram luz laser para criar imagens dos dois grupos de átomos. “Esses estados hiperfinos são divididos o suficiente para que nossa sonda óptica responda apenas aos estados hiperfinos específicos que selecionamos”, explica Zwierlein. “Onde há muitos átomos, temos uma sombra escura; onde quase não há átomos, a luz passa.” Crucialmente, como os gases mais frios contêm uma fração maior de átomos emparelhados que não são afetados pela RF, as imagens contêm informações sobre a temperatura do gás. Os pesquisadores puderam, portanto, visualizar o fluxo de calor diretamente, mesmo quando o meio permaneceu parado.

Munidos desta nova ferramenta, os pesquisadores fizeram diversas medições. Nas temperaturas mais frias, o aquecimento local de uma única região causou fortes segundas ondas sonoras. À medida que o meio se aproximava da sua temperatura crítica, estas ondas tornaram-se gradualmente menos significativas para a transferência de calor em comparação com a difusão simples. Acima da temperatura crítica, eles desapareceram completamente. A equipe também observou comportamento anômalo na temperatura crítica. “É semelhante para qualquer transição de fase, como a água fervendo em uma chaleira: você vê bolhas – as coisas enlouquecem”, diz Zwierlein. Finalmente, mediram o amortecimento do segundo som, que surge do facto de que embora o componente superfluido flua sem atrito, o fluido normal não o faz.

Supercondutores de alta temperatura e estrelas de nêutrons

Os pesquisadores dizem que a nova técnica também deve ser aplicada aos condensados ​​​​de Bose-Einstein e também pode ser usada para analisar o modelo Fermi-Hubbard de supercondutividade de alta temperatura recentemente desenvolvido. Além disso, Zwierlein sugere que “a matéria dentro de uma estrela de nêutrons tem um comportamento muito semelhante, surpreendentemente, porque esses nêutrons também interagem muito fortemente, então estamos aprendendo algo com nossa nuvem de gás no laboratório, que é um milhão de vezes mais fina que o ar”. algo sobre estrelas de nêutrons malucas, que são difíceis de alcançar.”

'Segundo som' aparece em germânio

Hadzibabic, que não esteve envolvido no estudo, está impressionado. “Não é só que eles fazem uma ótima termometria abaixo de um nanokelvin – o que é difícil, mesmo que a temperatura seja a mesma em todos os lugares – mas, além disso, eles podem fazer isso localmente, o que é fundamental para ver essa onda”, diz ele. Mundo da física. “Então eles podem dizer que aqui é meio nanokelvin mais quente e aqui, a 20 mícrons de distância, é meio nanokelvin mais frio.” Ele diz que espera ver a técnica aplicada “em sistemas sobre os quais sabemos muito menos e onde todo o sistema está longe do equilíbrio”.

A pesquisa é publicada em Ciência.

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