Fysiker tar temperaturen på andra ljudet – Physics World

En ny teknik för att övervaka "andra ljud" - en bisarr typ av värmebölja som uppstår i supervätskor - har utvecklats av fysiker i USA. Arbetet kan hjälpa till att modellera en mängd olika vetenskapligt intressanta och dåligt förstådda system, inklusive högtemperatursupraledare och neutronstjärnor.

Termen "andra ljud" myntades av den sovjetiske fysikern Lev Landau på 1940-talet efter att hans kollega László Tisza föreslog att flytande heliums bisarra egenskaper kan förklaras genom att betrakta det som en blandning av två vätskor: en normal vätska och en supervätska som flöt utan friktion. Detta arrangemang ger upphov till möjligheten att, om superfluiden och normalvätskan flyter i motsatta riktningar, kommer materialet inte att uppleva några uppenbara störningar, men värme kommer ändå att passera genom det som en våg när den normala vätskan och superfluiden växlar.

Shortly afterwards, another Soviet physicist, Vasilii Peshkov, confirmed this experimentally. "Han [Peshkov] kunde bokstavligen värma upp övervätskan med jämna mellanrum på ena sidan och mäta att värmen fördelades som en stående våg i hans behållare," säger Martin Zwierlein, en fysiker vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) som ledde den nya studien.

På 21-talet har fysiker som t.ex Zoran Hadzibabic vid University of Cambridge, Storbritannien; Deborah Jin från JILA i Boulder, USA; och Wolfgang Ketterle från MIT introducerade en ny dimension till andra sund forskning genom att visa att Bose–Einstein kondensat och starkt interagerande Fermi-gaser också uppvisar superfluid egenskaper. Under 2013 Rudolf Grimm of the Center for Ultracold Atoms and Quantum Gases in Innsbruck, Austria became the first to observe second sound in such a system. "[Grimm] kunde inte se värmen, men när du har en värmegradient i en gas finns det också en åtföljande densitetsgradient eftersom gasen är komprimerbar", förklarar Zwierlein. “There was a travelling density wave at a speed much slower than the speed of normal sound and that was associated with second sound.”

Direkt avbildning av värmeflöde

In the new research, Zwierlein and colleagues imaged heat flow in a strongly interacting Fermi gas composed of ultracold lithium-6 atoms. För att göra detta placerade de atomerna i en boxpotential och kopplade på ett magnetfält exakt avstämt till ett värde som hör ihop med en så kallad Feshbach-resonans i atomerna. Vid denna resonans kan fermioniska litium-6-atomer under en viss kritisk temperatur interagera med varandra på långt håll och bilda bosoniska par genom en mekanism som liknar Bardeen-Cooper-Schrieffer-mekanismen i supraledning. "Det är lite missvisande men användbart för första förståelse att tänka på superfluiden som komponenten av par och den normala komponenten som komponenten av oparade atomer," förklarar Zwierlein.

Next, the researchers applied a short radiofrequency (RF) pulse to the gas. The RF radiation excited the unpaired atoms to a different hyperfine state, leaving the paired atoms undisturbed. The researchers then used laser light to image the two groups of atoms. "Dessa hyperfina tillstånd är tillräckligt splittrade för att vår optiska sond endast svarar på de särskilda hyperfina tillstånden som vi valt," förklarar Zwierlein. “Where there are lots of atoms, we get a dark shadow; where there are almost no atoms, the light passes through.” Av avgörande betydelse, eftersom kallare gaser innehåller en större del av parade atomer som inte påverkas av RF, innehåller bilderna information om gasens temperatur. The researchers could therefore image heat flow directly, even when the medium remained still.

Armed with this new tool, the researchers made several measurements. At the coldest temperatures, locally heating a single region caused strong second sound waves. När mediet närmade sig sin kritiska temperatur blev dessa vågor gradvis mindre betydelsefulla för värmeöverföring jämfört med enkel diffusion. Above the critical temperature, they vanished altogether. The team also observed anomalous behaviour at the critical temperature. “It's similar for any phase transition like water boiling in a kettle: you see bubbles – things go crazy,” Zwierlein says. Slutligen mätte de dämpningen av det andra ljudet, vilket uppstår från det faktum att även om den superfluidiska komponenten flyter utan friktion, gör den normala vätskan det inte.

Högtemperatur superledare och neutronstjärnor

Forskarna säger att den nya tekniken bör gälla för Bose-Einstein-kondensat också, och kan också användas för att analysera den nyligen utvecklade Fermi-Hubbard-modellen av högtemperatursupraledning. Dessutom föreslår Zwierlein att "materia inuti en neutronstjärna är väldigt lika i beteende, överraskande nog, eftersom dessa neutroner också interagerar väldigt starkt, så vi lär oss något från vår gaspuff i labbet som är en miljon gånger tunnare än luft something about crazy neutron stars, which are hard to get to.”

'Andra ljud' visas i germanium

Hadzibabic, who was not involved in the study, is impressed. "Det är inte bara det att de gör bra termometri under en nanokelvin - vilket är svårt även om temperaturen är densamma överallt - utan dessutom kan de göra det lokalt, vilket är nyckeln för att se den här vågen", säger han Fysikvärlden. “So they can say here it's half a nanokelvin hotter and here, 20 microns away, it's half a nanokelvin colder.” Han säger att han ser fram emot att se tekniken tillämpas "i system som vi vet mycket mindre om och där hela systemet är långt ifrån jämvikt".

Forskningen är publicerad i Vetenskap.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/