Физики измерили температуру второго звука

Физики измерили температуру второго звука

Отметка времени: 13 февраля 2024 г., 10:09 AM

На изображении показаны ярко-розовые и оранжевые стрелки, обозначающие поток тепла через сетку атомоподобных сфер.
Волна на ходу: Термин «второй звук» относится к движению тепла через сверхтекучую жидкость. (Фото любезно предоставлено: Хосе-Луис Оливарес, Массачусетский технологический институт)

Физики из США разработали новую методику мониторинга «второго звука» — причудливого типа тепловой волны, возникающей в сверхтекучих средах. Эта работа может помочь смоделировать множество интересных с научной точки зрения и плохо изученных систем, включая высокотемпературные сверхпроводники и нейтронные звезды.

Термин «второй звук» был придуман советским физиком Львом Ландау в 1940-х годах после того, как его коллега Ласло Тиса предположил, что причудливые свойства жидкого гелия можно объяснить, рассматривая его как смесь двух жидкостей: нормальной жидкости и сверхтекучей жидкости, которая текло без трения. Такое расположение дает возможность того, что, если сверхтекучая и нормальная жидкости текут в противоположных направлениях, материал не будет испытывать каких-либо видимых возмущений, но тепло, тем не менее, будет проходить через него, как волна, когда нормальная жидкость и сверхтекучая жидкость меняются местами.

Вскоре после этого другой советский физик Василий Пешков подтвердил это экспериментально. «Он [Пешков] буквально мог периодически нагревать сверхтекучую жидкость с одной стороны и измерять, что тепло распределялось в его контейнере как стоячая волна», — говорит Мартин Цвирляйн, физик из Массачусетского технологического института (MIT), который возглавил новое исследование.

В 21 веке физики, такие как Зоран Хаджибабич Кембриджского университета, Великобритания; Дебора Джин JILA в Боулдере, США; и Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института открыл новое измерение в исследованиях второго звука, продемонстрировав, что конденсаты Бозе-Эйнштейна и сильно взаимодействующие ферми-газы также обладают сверхтекучими свойствами. В 2013 Рудольф Гримм Центра ультрахолодных атомов и квантовых газов в Инсбруке (Австрия) стал первым, кто наблюдал второй звук в такой системе. «[Гримм] не мог видеть тепло, но всякий раз, когда у вас есть градиент тепла в газе, он также сопровождается градиентом плотности, потому что газ сжимаем», — объясняет Цвирляйн. «Была движущаяся волна плотности со скоростью, намного меньшей, чем скорость обычного звука, и это было связано со вторым звуком».

Прямая визуализация теплового потока

В новом исследовании Цвирляйн и его коллеги изобразили тепловой поток в сильно взаимодействующем ферми-газе, состоящем из ультрахолодных атомов лития-6. Для этого они поместили атомы в потенциальный ящик и включили магнитное поле, точно настроенное на величину, связанную с так называемым резонансом Фешбаха в атомах. При этом резонансе фермионные атомы лития-6 ниже определенной критической температуры могут взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях, образуя бозонные пары по механизму, близкому к механизму Бардина-Купера-Шриффера в сверхпроводимости. «Это немного вводит в заблуждение, но полезно для первого понимания думать о сверхтекучести как о компоненте пар, а о нормальном компоненте как о компоненте неспаренных атомов», — объясняет Цвирляйн.

Анимация нормального или первого звука в жидкости и сверхтекучей жидкости, показывающая волны как с совпадающими пиками, так и впадинами.

Анимация второго звука в жидкости и сверхтекучей жидкости, показывающая, как сверхтекучая жидкость раскачивается взад и вперед и меняется местами с жидкостью, при этом поверхность остается нетронутой.
Звучит хорошо: эта простая анимация противопоставляет обычный звук (волны плотности, в которых нормальная и сверхтекучая жидкость колеблются вместе) и второй звук, который представляет собой движение тепла, когда сверхтекучая и нормальная жидкости «хлюпают» друг о друга, оставляя плотность постоянной. (Любезно предоставлено: Чжэньцзе Ян)

Затем исследователи применили к газу короткий радиочастотный (РЧ) импульс. Радиочастотное излучение перевело неспаренные атомы в другое сверхтонкое состояние, оставив парные атомы нетронутыми. Затем исследователи использовали лазерный свет для изображения двух групп атомов. «Эти сверхтонкие состояния настолько разделены, что наш оптический зонд реагирует только на те конкретные сверхтонкие состояния, которые мы выбрали», — объясняет Цвирляйн. «Там, где много атомов, мы получаем темную тень; там, где почти нет атомов, свет проходит». Важно отметить, что поскольку более холодные газы содержат большую долю парных атомов, на которые не влияет радиочастотное излучение, изображения содержат информацию о температуре газа. Таким образом, исследователи смогли непосредственно визуализировать тепловой поток, даже когда среда оставалась неподвижной.

Вооружившись этим новым инструментом, исследователи провели несколько измерений. При самых низких температурах локальный нагрев одной области вызывал сильные волны второго звука. По мере приближения среды к критической температуре эти волны постепенно становились менее значимыми для теплопереноса по сравнению с простой диффузией. При температуре выше критической они исчезали совсем. Команда также наблюдала аномальное поведение при критической температуре. «Это похоже на любой фазовый переход, например, когда вода кипит в чайнике: вы видите пузырьки — все сходит с ума», — говорит Цвирляйн. Наконец, они измерили затухание второго звука, которое возникает из-за того, что хотя сверхтекучая составляющая течет без трения, нормальная жидкость - нет.

Высокотемпературные сверхпроводники и нейтронные звезды

Исследователи говорят, что новая методика должна применяться и к конденсатам Бозе-Эйнштейна, а также может быть использована для анализа недавно разработанной модели высокотемпературной сверхпроводимости Ферми-Хаббарда. Более того, Цвирляйн предполагает, что «материя внутри нейтронной звезды очень похожа по поведению, что удивительно, потому что эти нейтроны также очень сильно взаимодействуют, поэтому мы кое-чему учимся на нашем облачке газа в лаборатории, которое в миллион раз тоньше воздуха». что-то о сумасшедших нейтронных звездах, до которых трудно добраться».

Хаджибабич, не принимавший участия в исследовании, впечатлен. «Дело не только в том, что они проводят отличную термометрию ниже нанокельвина — что сложно, даже если температура везде одинаковая — но, кроме того, они могут делать это локально, что является ключевым моментом для наблюдения этой волны», — говорит он. Мир физики. «Таким образом, они могут сказать, что здесь на пол-нанокельвина горячее, а здесь, в 20 микронах, на пол-нанокельвина холоднее». Он говорит, что с нетерпением ждет возможности увидеть применение этой техники «в системах, о которых мы знаем гораздо меньше и где вся система далека от равновесия».

Исследование опубликовано в Наука.

Отметка времени:

Больше от Мир физики