Фізики вимірюють температуру другого звуку – Physics World

Нову техніку моніторингу «другого звуку» – дивного типу теплової хвилі, яка виникає в надплинних рідинах – розробили фізики в США. Ця робота може допомогти змоделювати різноманітні науково цікаві та погано вивчені системи, включаючи високотемпературні надпровідники та нейтронні зірки.

Термін «другий звук» ввів радянський фізик Лев Ландау в 1940-х роках після того, як його колега Ласло Тіса припустив, що дивні властивості рідкого гелію можна пояснити, розглядаючи його як суміш двох рідин: нормальної рідини та надплинної, що текла без тертя. Таке розташування створює можливість того, що, якщо надплинна та нормальна рідина течуть у протилежних напрямках, матеріал не зазнає жодних очевидних збурень, але тепло все одно проходитиме через нього, як хвиля, коли нормальна рідина та надплинна рідина міняються місцями.

Незабаром після цього інший радянський фізик Василь Пєшков експериментально підтвердив це. «Він [Пєшков] буквально зміг періодично нагрівати надплинну рідину з одного боку та вимірювати, що тепло розподіляється у його контейнері як стояча хвиля», — каже. Мартін Цвірляйн, фізик з Массачусетського технологічного інституту (MIT), який керував новим дослідженням.

У 21 столітті такі фізики, як Зоран Гаджибабич Кембриджського університету, Великобританія; Дебора Джин JILA в Боулдері, США; і Вольфганг Кеттерле Массачусетського технологічного інституту представив новий вимір дослідженням другого звуку, продемонструвавши, що конденсати Бозе-Ейнштейна та гази Фермі з сильною взаємодією також демонструють властивості надтекучості. У 2013 році Рудольф Грімм Центру ультрахолодних атомів і квантових газів в Інсбруку, Австрія, став першим, хто спостерігав другий звук у такій системі. «[Ґрімм] не бачив тепла, але щоразу, коли у вас є градієнт тепла в газі, він також супроводжує градієнт щільності, оскільки газ стискається», — пояснює Цвірлейн. «Існувала хвиля щільності, що поширювалася зі швидкістю, набагато меншою за швидкість звичайного звуку, і це було пов’язано з другим звуком».

Пряме зображення теплового потоку

У новому дослідженні Цвірляйн і його колеги зобразили тепловий потік у сильно взаємодіючому газі Фермі, що складається з ультрахолодних атомів літію-6. Для цього вони помістили атоми в ящиковий потенціал і ввімкнули магнітне поле, точно налаштоване на значення, пов’язане з так званим резонансом Фешбаха в атомах. У цьому резонансі ферміонні атоми літію-6 нижче певної критичної температури можуть взаємодіяти один з одним на великій відстані, утворюючи бозонні пари за механізмом, подібним до механізму Бардіна-Купера-Шріффера в надпровідності. «Трохи вводить в оману, але корисно для першого розуміння думати про надплинний компонент як про компонент пар, а про нормальний компонент як про компонент неспарених атомів», — пояснює Цвірлейн.

Потім дослідники застосували до газу короткий радіочастотний (РЧ) імпульс. Радіочастотне випромінювання збуджувало неспарені атоми до іншого надтонкого стану, залишаючи спарені атоми непорушеними. Потім дослідники використали лазерне світло для зображення двох груп атомів. «Ці надтонкі стани достатньо розділені, щоб наш оптичний зонд реагував лише на конкретні надтонкі стани, які ми вибрали», — пояснює Цвірляйн. «Там, де багато атомів, ми отримуємо темну тінь; там, де майже немає атомів, світло проходить». Вкрай важливо, оскільки більш холодні гази містять більшу частку спарених атомів, на які не впливає РЧ, зображення містять інформацію про температуру газу. Таким чином, дослідники могли безпосередньо відобразити тепловий потік, навіть коли середовище залишалося нерухомим.

Озброївшись цим новим інструментом, дослідники провели кілька вимірювань. При найнижчих температурах локальне нагрівання однієї області викликало сильні вторинні звукові хвилі. Коли середовище наближалося до своєї критичної температури, ці хвилі поступово ставали менш значущими для теплопередачі порівняно з простою дифузією. Вище критичної температури вони зникали зовсім. Команда також спостерігала аномальну поведінку при критичній температурі. «Це схоже на будь-який фазовий перехід, як кипіння води в чайнику: ви бачите бульбашки — все стає божевільним», — каже Цвірляйн. Нарешті, вони виміряли затухання другого звуку, який виникає внаслідок того факту, що хоча надплинний компонент тече без тертя, звичайна рідина цього не робить.

Високотемпературні надпровідники і нейтронні зірки

Дослідники кажуть, що нова методика також повинна застосовуватися до конденсатів Бозе-Ейнштейна, а також може бути використана для аналізу нещодавно розробленої моделі Фермі-Хаббарда високотемпературної надпровідності. Крім того, Цвірлейн припускає, що «матерія всередині нейтронної зірки дуже схожа за поведінкою, на диво, тому що ці нейтрони також дуже сильно взаємодіють, тож ми дізнаємося щось із нашого газу в лабораторії, який у мільйон разів тонший за повітря. щось про божевільні нейтронні зірки, до яких важко дістатися».

У германію з'являється «другий звук».

Хаджибабіч, який не брав участі в дослідженні, вражений. «Справа не тільки в тому, що вони роблять чудову термометрію нижче нанокельвіна — що важко, навіть якщо температура скрізь однакова, — але крім того, вони можуть робити це локально, що є ключовим для спостереження за цією хвилею», — розповідає він. Світ фізики. «Тож вони можуть сказати, що тут на півнанокельвіна гарячіше, а тут, на відстані 20 мікрон, на півнанокельвіна холодніше». Він каже, що з нетерпінням чекає застосування техніки «в системах, про які ми знаємо набагато менше і де вся система далека від рівноваги».

Дослідження опубліковано в наука.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/