Fizicienii iau temperatura celui de-al doilea sunet – Physics World

O nouă tehnică de monitorizare a „al doilea sunet” – un tip bizar de val de căldură care apare în superfluide – a fost dezvoltată de fizicienii din SUA. Lucrarea ar putea ajuta la modelarea unei varietăți de sisteme interesante și prost înțelese din punct de vedere științific, inclusiv supraconductori de înaltă temperatură și stele neutronice.

Termenul „al doilea sunet” a fost inventat de fizicianul sovietic Lev Landau în anii 1940, după ce colegul său László Tisza a sugerat că proprietățile bizare ale heliului lichid ar putea fi explicate considerându-l ca un amestec de două fluide: un fluid normal și un superfluid care curgea fara frecare. Acest aranjament dă naștere la posibilitatea ca, în cazul în care superfluidul și fluidul normal curg în direcții opuse, materialul să nu experimenteze nicio perturbare aparentă, dar căldura va trece totuși prin el ca o undă pe măsură ce fluidul normal și superfluidul se plasează.

La scurt timp după aceea, un alt fizician sovietic, Vasilii Peshkov, a confirmat acest lucru experimental. „El [Peshkov] a putut să încălzi periodic superfluidul pe o parte și să măsoare că căldura a fost distribuită ca un val staționar în recipientul său”, spune Martin Zwierlein, un fizician la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT) care a condus noul studiu.

În secolul XXI, fizicieni precum Zoran Hadzibabic de la Universitatea din Cambridge, Marea Britanie; Deborah Jin de JILA din Boulder, SUA; și Wolfgang Ketterle de la MIT a introdus o nouă dimensiune cercetării a doua a sunetului, demonstrând că condensurile Bose-Einstein și gazele Fermi care interacționează puternic prezintă, de asemenea, proprietăți superfluide. În 2013 Rudolf Grimm de la Centrul pentru Atomi Ultrareci și Gaze Cuantice din Innsbruck, Austria a devenit primul care a observat al doilea sunet într-un astfel de sistem. „[Grimm] nu a putut vedea căldura, dar ori de câte ori aveți un gradient de căldură într-un gaz, există și un gradient de densitate însoțitor, deoarece gazul este compresibil”, explică Zwierlein. „A existat o undă de densitate de călătorie cu o viteză mult mai mică decât viteza sunetului normal și care a fost asociată cu al doilea sunet.”

Imagistica directă a fluxului de căldură

În noua cercetare, Zwierlein și colegii au imaginat fluxul de căldură într-un gaz Fermi care interacționează puternic, compus din atomi de litiu-6 ultrareci. Pentru a face acest lucru, au plasat atomii într-o cutie de potențial și au pornit un câmp magnetic reglat cu precizie la o valoare asociată cu așa-numita rezonanță Feshbach în atomi. La această rezonanță, atomii fermionici de litiu-6 sub o anumită temperatură critică pot interacționa între ei la distanță lungă, formând perechi bosonice printr-un mecanism asemănător mecanismului Bardeen-Cooper-Schrieffer în supraconductivitate. „Este puțin înșelător, dar util pentru prima înțelegere să ne gândim la superfluid ca la componenta perechilor și la componenta normală ca la componenta atomilor nepereche”, explică Zwierlein.

Apoi, cercetătorii au aplicat gazului un impuls scurt de radiofrecvență (RF). Radiația RF a excitat atomii nepereche într-o stare hiperfină diferită, lăsând atomii perechi netulburați. Cercetătorii au folosit apoi lumina laser pentru a vizualiza cele două grupuri de atomi. „Aceste stări hiperfine sunt suficient de divizate încât sonda noastră optică să răspundă numai la stările hiperfine specifice pe care le-am selectat”, explică Zwierlein. „Acolo unde sunt mulți atomi, obținem o umbră întunecată; acolo unde aproape nu sunt atomi, trece lumina.” În mod crucial, deoarece gazele mai reci conțin o fracțiune mai mare de atomi perechi care nu sunt afectați de RF, imaginile conțin informații despre temperatura gazului. Prin urmare, cercetătorii au putut imaginea fluxul de căldură direct, chiar și atunci când mediul a rămas nemișcat.

Înarmați cu acest nou instrument, cercetătorii au făcut mai multe măsurători. La cele mai reci temperaturi, încălzirea locală a unei singure regiuni a provocat unde sonore secundare puternice. Pe măsură ce mediul s-a apropiat de temperatura sa critică, aceste unde au devenit treptat mai puțin semnificative pentru transferul de căldură în comparație cu difuzia simplă. Peste temperatura critică, au dispărut cu totul. Echipa a observat, de asemenea, un comportament anormal la temperatura critică. „Este similar pentru orice tranziție de fază, cum ar fi apa care fierbe într-un ibric: vezi bule – lucrurile înnebunesc”, spune Zwierlein. În cele din urmă, au măsurat amortizarea celui de-al doilea sunet, care rezultă din faptul că, deși componenta superfluidului curge fără frecare, fluidul normal nu.

Superconductori de înaltă temperatură și stele neutronice

Cercetătorii spun că noua tehnică ar trebui să se aplice și condensaților Bose-Einstein și ar putea fi folosită și pentru analiza modelului recent dezvoltat de Fermi-Hubbard al supraconductivității la temperatură înaltă. Mai mult, Zwierlein sugerează că „materia din interiorul unei stele neutronice are un comportament foarte asemănător, în mod surprinzător, pentru că acești neutroni interacționează foarte puternic, așa că învățăm ceva din puful nostru de gaz din laborator, care este de un milion de ori mai subțire decât aerul. ceva despre stele nebune cu neutroni, la care este greu de ajuns.”

„Al doilea sunet” apare în germaniu

Hadzibabic, care nu a fost implicat în studiu, este impresionat. „Nu este doar faptul că fac o termometrie grozavă sub un nanokelvin – ceea ce este greu chiar dacă temperatura este aceeași peste tot – dar, în plus, o pot face local, ceea ce este cheia pentru a vedea acest val”, spune el. Lumea fizicii. „Deci ei pot spune că aici este cu jumătate de nanokelvin mai cald și aici, la 20 de microni distanță, este cu jumătate de nanokelvin mai rece.” El spune că așteaptă cu nerăbdare să vadă tehnica aplicată „în sistemele despre care știm mult mai puțin și unde întregul sistem este departe de echilibru”.

Cercetarea este publicată în Ştiinţă.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/