Fiziki merijo temperaturo drugega zvoka – svet fizike

Ameriški fiziki so razvili novo tehniko za spremljanje »drugega zvoka« – bizarne vrste vročinskih valov, ki se pojavljajo v supertekočinah. Delo bi lahko pomagalo pri modeliranju različnih znanstveno zanimivih in slabo razumljenih sistemov, vključno z visokotemperaturnimi superprevodniki in nevtronskimi zvezdami.

Izraz "drugi zvok" je skoval sovjetski fizik Lev Landau v štiridesetih letih prejšnjega stoletja, potem ko je njegov kolega László Tisza predlagal, da bi bizarne lastnosti tekočega helija lahko razložili tako, da bi ga obravnavali kot mešanico dveh tekočin: običajne tekočine in supertekočine, ki tekla brez trenja. Ta ureditev daje možnost, da, če superfluid in normalna tekočina tečeta v nasprotnih smereh, material ne bo občutil nobenih očitnih motenj, vendar bo toplota kljub temu prešla skozenj kot val, ko normalna tekočina in superfluid zamenjata mesti.

Kmalu zatem je drugi sovjetski fizik Vasilij Peškov to eksperimentalno potrdil. "On (Peškov) je dobesedno lahko občasno segreval supertekočino na eni strani in izmeril, da se je toplota v njegovi posodi porazdelila kot stoječi val," pravi. Martin Zwierlein, fizik na Tehnološkem inštitutu Massachusetts (MIT), ki je vodil novo študijo.

V 21. stoletju so fiziki, kot je npr Zoran Hadžibabić Univerze v Cambridgeu, Združeno kraljestvo; Deborah Jin JILA v Boulderju, ZDA; in Wolfgang Ketterle z MIT je uvedel novo dimenzijo v raziskave drugega zvoka z dokazovanjem, da Bose–Einsteinovi kondenzati in Fermijevi plini, ki močno medsebojno delujejo, prav tako kažejo superfluidne lastnosti. Leta 2013 Rudolf Grimm iz Centra za ultrahladne atome in kvantne pline v Innsbrucku v Avstriji je postal prvi, ki je opazoval drugi zvok v takšnem sistemu. "[Grimm] ni mogel videti toplote, toda kadar koli imate toplotni gradient v plinu, obstaja tudi spremljevalni gradient gostote, ker je plin stisljiv," pojasnjuje Zwierlein. "Prišlo je do potujočega valovanja gostote s hitrostjo, ki je bila veliko počasnejša od hitrosti običajnega zvoka in to je bilo povezano z drugim zvokom."

Neposredno slikanje toplotnega toka

V novi raziskavi so Zwierlein in sodelavci slikali toplotni tok v močno medsebojno delujočem Fermijevem plinu, sestavljenem iz ultrahladnih atomov litija-6. Da bi to naredili, so atome postavili v potencial škatle in vklopili magnetno polje, natančno nastavljeno na vrednost, povezano s tako imenovano Feshbachovo resonanco v atomih. Pri tej resonanci lahko atomi fermionskega litija-6 pod določeno kritično temperaturo medsebojno delujejo na dolge razdalje in tvorijo bozonske pare z mehanizmom, podobnim Bardeen-Cooper-Schriefferjevemu mehanizmu pri superprevodnosti. "Malo je zavajajoče, a koristno za prvo razumevanje, da si superfluid predstavljamo kot komponento parov in normalno komponento kot komponento neparnih atomov," pojasnjuje Zwierlein.

Nato so raziskovalci na plin uporabili kratek radiofrekvenčni (RF) impulz. RF sevanje je vzbudilo neparne atome v drugačno hiperfino stanje, tako da so seznanjeni atomi ostali nemoteni. Raziskovalci so nato uporabili lasersko svetlobo za slikanje dveh skupin atomov. "Ta hiperfina stanja so dovolj razdeljena, da se naša optična sonda odziva le na določena hiperfina stanja, ki smo jih izbrali," pojasnjuje Zwierlein. »Kjer je veliko atomov, dobimo temno senco; tam, kjer skoraj ni atomov, prehaja svetloba." Ker hladnejši plini vsebujejo večji delež seznanjenih atomov, na katere RF ne vpliva, je bistveno, da slike vsebujejo informacije o temperaturi plina. Raziskovalci so tako lahko neposredno slikali toplotni tok, tudi ko je medij ostal miren.

Oboroženi s tem novim orodjem so raziskovalci opravili več meritev. Pri najnižjih temperaturah je lokalno segrevanje posamezne regije povzročilo močne sekundarne zvočne valove. Ko se je medij približal kritični temperaturi, so ti valovi postopoma postali manj pomembni za prenos toplote v primerjavi s preprosto difuzijo. Nad kritično temperaturo so popolnoma izginili. Ekipa je opazila tudi nenormalno obnašanje pri kritični temperaturi. »Podobno je pri katerem koli faznem prehodu, kot je voda, ki vre v grelniku vode: vidite mehurčke – stvari se zmešajo,« pravi Zwierlein. Nazadnje so izmerili dušenje drugega zvoka, ki izhaja iz dejstva, da čeprav superfluidna komponenta teče brez trenja, normalna tekočina ne.

Visokotemperaturni superprevodniki in nevtronske zvezde

Raziskovalci pravijo, da bi morala nova tehnika veljati tudi za Bose-Einsteinove kondenzate in bi se lahko uporabila tudi za analizo nedavno razvitega Fermi-Hubbardovega modela visokotemperaturne superprevodnosti. Poleg tega Zwierlein nakazuje, da se "materija znotraj nevtronske zvezde obnaša zelo podobno, kar je presenetljivo, ker ti nevtroni prav tako zelo močno medsebojno delujejo, tako da se nekaj naučimo iz našega plina v laboratoriju, ki je milijonkrat tanjši od zraka nekaj o norih nevtronskih zvezdah, do katerih je težko priti.”

'Drugi zvok' se pojavi v germaniju

Hadžibabič, ki ni bil vključen v študijo, je navdušen. »Ne gre le za to, da naredijo odlično termometrijo pod nanokelvini – kar je težko, tudi če je temperatura povsod enaka – ampak poleg tega lahko to naredijo lokalno, kar je ključno za opazovanje tega vala,« pravi. Svet fizike. "Tako lahko rečejo, da je tukaj pol nanokelvina bolj vroče, tukaj, 20 mikronov stran, pa je pol nanokelvina hladneje." Pravi, da se veseli uporabe tehnike "v sistemih, o katerih vemo veliko manj in kjer je celoten sistem daleč od ravnovesja".

Raziskava je objavljena v Znanost.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/