นักฟิสิกส์ใช้อุณหภูมิของเสียงที่สอง - โลกฟิสิกส์

นักฟิสิกส์ใช้อุณหภูมิของเสียงที่สอง - โลกฟิสิกส์

Time Stamp: 13 กุมภาพันธ์ 2024 10:09 น.

รูปภาพแสดงลูกศรสีชมพูร้อนและสีส้มซึ่งแสดงถึงการไหลของความร้อนผ่านตารางทรงกลมคล้ายอะตอม
คลื่นในขณะที่คุณผ่านไป: คำว่า "เสียงที่สอง" หมายถึงการเคลื่อนที่ของความร้อนผ่านของเหลวยิ่งยวด (เอื้อเฟื้อโดย: Jose-Luis Olivares, MIT)

เทคนิคใหม่ในการติดตาม "เสียงที่สอง" ซึ่งเป็นคลื่นความร้อนชนิดแปลกประหลาดที่เกิดขึ้นในของเหลวยิ่งยวด ได้รับการพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ในสหรัฐอเมริกา งานนี้สามารถช่วยจำลองระบบต่างๆ ที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์และไม่ค่อยเข้าใจได้ รวมถึงตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงและดาวนิวตรอน

คำว่า "เสียงที่สอง" ได้รับการบัญญัติโดยนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Lev Landau ในทศวรรษที่ 1940 หลังจากที่เพื่อนร่วมงานของเขา László Tisza แนะนำว่าคุณสมบัติที่แปลกประหลาดของฮีเลียมเหลวอาจอธิบายได้โดยพิจารณาว่าเป็นส่วนผสมของของเหลวสองชนิด: ของเหลวปกติและของเหลวยิ่งยวดที่ ไหลลื่นไม่มีสะดุด การจัดเรียงนี้ทำให้เกิดความเป็นไปได้ที่ว่า ถ้าของเหลวยิ่งยวดและของไหลปกติไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม วัสดุจะไม่เกิดการรบกวนใดๆ อย่างเห็นได้ชัด แต่ความร้อนจะยังคงผ่านเข้าไปได้เหมือนคลื่นดังที่ของไหลปกติและสวิตช์ของของไหลยิ่งยวดวางตำแหน่ง

หลังจากนั้นไม่นาน นักฟิสิกส์ชาวโซเวียตอีกคน วาซิลี เปชคอฟ ก็ได้ยืนยันการทดลองนี้ “เขา [เพชคอฟ] สามารถให้ความร้อนแก่ของเหลวยิ่งยวดเป็นระยะๆ ได้ที่ด้านหนึ่ง และวัดได้ว่าความร้อนกระจายตัวเหมือนคลื่นนิ่งในภาชนะของเขา” กล่าว มาร์ติน ซเวียร์ไลน์นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษาครั้งใหม่

ในศตวรรษที่ 21 นักฟิสิกส์เช่น โซรัน ฮัดซิบาบิช แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร; เดโบราห์ จิน ของ JILA ในเมืองโบลเดอร์ สหรัฐอเมริกา; และ โวล์ฟกัง เคตเตอร์เล ของ MIT นำเสนอมิติใหม่ให้กับการวิจัยเสียงครั้งที่สองโดยแสดงให้เห็นว่าโบส-ไอน์สไตน์ควบแน่นและก๊าซที่มีปฏิกิริยารุนแรงกับแฟร์มีก็แสดงคุณสมบัติของของเหลวยิ่งยวดเช่นกัน ในปี 2013 รูดอล์ฟ กริมม์ ของศูนย์อะตอมเย็นจัดและก๊าซควอนตัมในเมืองอินส์บรุค ประเทศออสเตรีย กลายเป็นกลุ่มแรกที่สังเกตเห็นเสียงที่สองในระบบดังกล่าว “[กริมม์] ไม่สามารถมองเห็นความร้อน แต่เมื่อใดก็ตามที่คุณมีการไล่ระดับความร้อนในก๊าซ ก็จะมีการไล่ระดับความหนาแน่นควบคู่ไปด้วยเนื่องจากก๊าซสามารถอัดตัวได้” Zwierlein อธิบาย “มีคลื่นความหนาแน่นในการเดินทางด้วยความเร็วที่ช้ากว่าความเร็วของเสียงปกติมากและนั่นสัมพันธ์กับเสียงที่สอง”

ภาพการไหลของความร้อนโดยตรง

ในการวิจัยครั้งใหม่ Zwierlein และเพื่อนร่วมงานได้ถ่ายภาพการไหลของความร้อนในก๊าซ Fermi ที่มีปฏิกิริยารุนแรงซึ่งประกอบด้วยอะตอมลิเธียม-6 ที่มีความเย็นจัด ในการทำเช่นนี้ พวกเขาวางอะตอมไว้ในศักย์ของกล่องและเปิดสนามแม่เหล็กที่ปรับให้เข้ากับค่าที่เกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่า Feshbach resonance ในอะตอมอย่างแม่นยำ ด้วยการสั่นพ้องนี้ อะตอมของเฟอร์ไมโอนิกลิเธียม-6 ที่ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติสามารถโต้ตอบกันในระยะไกลได้ โดยก่อตัวเป็นคู่โบโซนิกด้วยกลไกที่คล้ายกับกลไกของบาร์ดีน-คูเปอร์-ชรีเฟอร์ในด้านความเป็นตัวนำยิ่งยวด “อาจทำให้เข้าใจผิดเล็กน้อย แต่มีประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจครั้งแรกว่า superfluid เป็นองค์ประกอบของคู่และองค์ประกอบปกติเป็นองค์ประกอบของอะตอมที่ไม่จับคู่” Zwierlein อธิบาย

แอนิเมชันของเสียงปกติหรือเสียงแรกในของไหลและของเหลวยิ่งยวด แสดงคลื่นทั้งที่มียอดและร่องใกล้เคียงกัน

แอนิเมชันของเสียงที่สองในของไหลและของไหลยิ่งยวด แสดงการเคลื่อนตัวของของไหลยิ่งยวดไปมาและเปลี่ยนตำแหน่งด้วยของไหล ขณะที่พื้นผิวไม่ถูกรบกวน
ฟังดูดี: แอนิเมชันง่ายๆ นี้ตัดกันเสียงธรรมดา (คลื่นความหนาแน่นซึ่งของไหลปกติและของไหลยิ่งยวดแกว่งไปมาด้วยกัน) และเสียงที่สอง ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ของความร้อนเมื่อของเหลวยิ่งยวดและของไหลปกติ “เฉื่อย” ซึ่งกันและกันโดยปล่อยให้ความหนาแน่นคงที่ (เอื้อเฟื้อโดย: เจิ้นเจี๋ยหยาน)

ต่อไป นักวิจัยได้ใช้พัลส์คลื่นวิทยุความถี่สั้น (RF) กับก๊าซ การแผ่รังสี RF กระตุ้นอะตอมที่ไม่ถูกจับคู่กับให้มีสถานะไฮเปอร์ไฟน์ที่แตกต่างกัน ส่งผลให้อะตอมที่จับคู่ไม่ถูกรบกวน จากนั้นนักวิจัยจึงใช้แสงเลเซอร์เพื่อถ่ายภาพอะตอมทั้งสองกลุ่ม “สถานะไฮเปอร์ไฟน์เหล่านี้ถูกแยกออกมากพอที่หัววัดแบบออปติคอลของเราตอบสนองต่อเฉพาะสถานะไฮเปอร์ไฟน์ที่เราเลือกเท่านั้น” Zwierlein อธิบาย “ที่ใดมีอะตอมจำนวนมาก เราก็จะได้เงามืด ในที่ซึ่งแทบไม่มีอะตอม แสงก็ลอดผ่านได้” สิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากก๊าซที่เย็นกว่าประกอบด้วยอะตอมคู่ที่มากกว่าซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจาก RF ภาพจึงมีข้อมูลเกี่ยวกับอุณหภูมิของก๊าซ นักวิจัยจึงสามารถถ่ายภาพการไหลของความร้อนได้โดยตรง แม้ว่าตัวกลางจะยังคงอยู่ก็ตาม

ด้วยเครื่องมือใหม่นี้ นักวิจัยได้ทำการวัดหลายอย่าง ที่อุณหภูมิเย็นที่สุด การให้ความร้อนในพื้นที่เดียวทำให้เกิดคลื่นเสียงที่สองที่แรง เมื่อตัวกลางเข้าใกล้อุณหภูมิวิกฤติ คลื่นเหล่านี้ก็ค่อยๆ มีนัยสำคัญในการถ่ายเทความร้อนน้อยลงเมื่อเทียบกับการแพร่กระจายแบบธรรมดา เหนืออุณหภูมิวิกฤต พวกมันก็หายไปโดยสิ้นเชิง ทีมงานยังได้สังเกตพฤติกรรมผิดปกติที่อุณหภูมิวิกฤติด้วย “มันคล้ายกันสำหรับการเปลี่ยนสถานะใดๆ ก็ตาม เช่น น้ำเดือดในกาต้มน้ำ คุณเห็นฟองสบู่ – สิ่งต่างๆ กลายเป็นบ้า” Zwierlein กล่าว ในที่สุด พวกเขาวัดการหน่วงของเสียงที่สอง ซึ่งเกิดขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่าแม้ว่าส่วนประกอบของไหลยิ่งยวดจะไหลโดยไม่มีแรงเสียดทาน แต่ของไหลปกติกลับไม่ไหล

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงและดาวนิวตรอน

นักวิจัยกล่าวว่าเทคนิคใหม่นี้ควรนำไปใช้กับคอนเดนเสทของ Bose-Einstein เช่นกัน และยังสามารถใช้ในการวิเคราะห์แบบจำลองการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงของ Fermi-Hubbard ที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ ยิ่งไปกว่านั้น Zwierlein แนะนำว่า “สสารภายในดาวนิวตรอนมีพฤติกรรมคล้ายกันมาก น่าประหลาดใจเพราะนิวตรอนเหล่านี้มีปฏิกิริยาโต้ตอบกันอย่างรุนแรงเช่นกัน ดังนั้นเราจึงเรียนรู้บางอย่างจากการพ่นก๊าซของเราในห้องแล็บซึ่งบางกว่าอากาศล้านเท่า บางอย่างเกี่ยวกับดาวนิวตรอนบ้าๆ ซึ่งยากจะไปถึง”

ฮัดซิบาบิกซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยนี้รู้สึกประทับใจ “ไม่ใช่แค่ว่าพวกมันทำการวัดเทอร์โมมิเตอร์ได้ดีเยี่ยมที่ต่ำกว่านาโนเคลวิน ซึ่งทำได้ยากแม้ว่าอุณหภูมิจะเท่ากันทุกที่ แต่พวกมันยังสามารถทำได้ในท้องถิ่นอีกด้วย ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการมองเห็นคลื่นนี้” เขากล่าว โลกฟิสิกส์. “พวกเขาสามารถพูดได้ว่าที่นี่ร้อนกว่าครึ่งนาโนเคลวิน และที่นี่ ห่างออกไป 20 ไมครอน มันเย็นกว่าครึ่งนาโนเคลวิน” เขากล่าวว่าเขาตั้งตารอที่จะได้เห็นเทคนิคที่ใช้ “ในระบบที่เรารู้น้อยมากและที่ทั้งระบบอยู่ห่างไกลจากความสมดุล”

การวิจัยถูกตีพิมพ์ลงที่ วิทยาศาสตร์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์