Các nhà vật lý đo nhiệt độ của âm thanh thứ hai – Physics World

Các nhà vật lý đo nhiệt độ của âm thanh thứ hai – Physics World

Dấu thời gian: ngày 13 tháng 2024 năm 10 09:XNUMX sáng

Hình ảnh hiển thị các mũi tên màu hồng và màu cam nóng tượng trưng cho dòng nhiệt xuyên qua một mạng lưới các quả cầu giống nguyên tử
Sóng khi bạn đi qua: Thuật ngữ “âm thanh thứ hai” dùng để chỉ sự chuyển động của nhiệt qua chất siêu lỏng. (Được phép: Jose-Luis Olivares, MIT)

Một kỹ thuật mới để theo dõi “âm thanh thứ hai” – một loại sóng nhiệt kỳ lạ xảy ra trong chất siêu lỏng – vừa được các nhà vật lý ở Mỹ phát triển. Công trình này có thể giúp mô hình hóa nhiều hệ thống thú vị và chưa được hiểu rõ về mặt khoa học, bao gồm các chất siêu dẫn nhiệt độ cao và sao neutron.

Thuật ngữ “âm thanh thứ hai” được nhà vật lý Liên Xô Lev Landau đặt ra vào những năm 1940 sau khi đồng nghiệp László Tisza của ông cho rằng các tính chất kỳ lạ của helium lỏng có thể được giải thích bằng cách coi nó là hỗn hợp của hai chất lỏng: chất lỏng thông thường và chất siêu lỏng. chảy không ma sát. Sự sắp xếp này dẫn đến khả năng là, nếu chất lỏng siêu lỏng và chất lỏng thông thường chảy ngược chiều nhau thì vật liệu sẽ không gặp bất kỳ sự xáo trộn rõ ràng nào, tuy nhiên nhiệt sẽ truyền qua nó giống như một sóng khi chất lỏng thông thường và chất siêu lỏng chuyển đổi vị trí.

Ngay sau đó, một nhà vật lý Liên Xô khác, Vasilii Peshkov, đã xác nhận điều này bằng thực nghiệm. “Anh ấy [Peshkov] theo đúng nghĩa đen là có thể làm nóng chất siêu lỏng theo định kỳ ở một bên và đo được rằng nhiệt được phân bổ giống như sóng đứng trong bình chứa của anh ấy,” nói Martin Zwierlein, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), người đứng đầu nghiên cứu mới.

Trong thế kỷ 21, các nhà vật lý như Zoran Hadzibabic của Đại học Cambridge, Vương quốc Anh; Deborah Jin của JILA ở Boulder, Mỹ; Và ấm đun nước Wolfgang của MIT đã giới thiệu một khía cạnh mới cho nghiên cứu âm thanh thứ hai bằng cách chứng minh rằng ngưng tụ Bose–Einstein và các khí Fermi tương tác mạnh cũng thể hiện các đặc tính siêu lỏng. Vào 2013 Rudolf Grimm của Trung tâm Nguyên tử cực lạnh và Khí lượng tử ở Innsbruck, Áo đã trở thành người đầu tiên quan sát được âm thanh thứ hai trong một hệ thống như vậy. “[Grimm] không thể nhìn thấy nhiệt, nhưng bất cứ khi nào bạn có gradient nhiệt trong chất khí thì cũng có gradient mật độ đi kèm vì chất khí có thể nén được,” Zwierlein giải thích. “Có một làn sóng mật độ di chuyển với tốc độ chậm hơn nhiều so với tốc độ của âm thanh bình thường và điều đó có liên quan đến âm thanh thứ hai.”

Hình ảnh trực tiếp của dòng nhiệt

Trong nghiên cứu mới, Zwierlein và các đồng nghiệp đã chụp được dòng nhiệt trong khí Fermi tương tác mạnh gồm các nguyên tử lithium-6 cực lạnh. Để làm được điều này, họ đặt các nguyên tử vào một hộp điện thế và bật một từ trường được điều chỉnh chính xác đến một giá trị liên quan đến cái gọi là cộng hưởng Feshbach trong các nguyên tử. Ở sự cộng hưởng này, các nguyên tử fermion lithium-6 ở dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định có thể tương tác với nhau ở tầm xa, tạo thành các cặp boson theo cơ chế gần giống với cơ chế Bardeen-Cooper-Schrieffer trong hiện tượng siêu dẫn. Zwierlein giải thích: “Có thể hơi sai lệch một chút nhưng hữu ích cho sự hiểu biết đầu tiên khi coi chất siêu lỏng là thành phần của các cặp và thành phần thông thường là thành phần của các nguyên tử chưa ghép cặp”.

Hoạt hình của âm thanh bình thường hoặc âm thanh đầu tiên trong chất lỏng và chất siêu lỏng, hiển thị các sóng có đỉnh và đáy trùng nhau

Hoạt hình của âm thanh thứ hai trong chất lỏng và chất siêu lỏng, cho thấy chất siêu lỏng chuyển động qua lại và thay đổi vị trí của chất lỏng trong khi bề mặt không bị xáo trộn
Nghe hay: Hoạt hình đơn giản này tương phản với âm thanh thông thường (sóng mật độ trong đó chất lỏng bình thường và chất siêu lỏng dao động cùng nhau) và âm thanh thứ hai, là chuyển động của nhiệt khi chất lỏng siêu lỏng và chất lỏng thông thường “va chạm” vào nhau trong khi vẫn giữ mật độ không đổi. (Lịch sự: Zhenjie Yan)

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu áp một xung tần số vô tuyến (RF) ngắn vào khí. Bức xạ RF kích thích các nguyên tử chưa ghép cặp đến một trạng thái siêu mịn khác, khiến các nguyên tử ghép cặp không bị xáo trộn. Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng ánh sáng laser để chụp ảnh hai nhóm nguyên tử. Zwierlein giải thích: “Các trạng thái siêu mịn này được phân chia đủ để đầu dò quang học của chúng tôi chỉ phản ứng với các trạng thái siêu mịn cụ thể mà chúng tôi đã chọn”. “Nơi có nhiều nguyên tử, chúng ta có bóng tối; nơi hầu như không có nguyên tử, ánh sáng xuyên qua.” Điều quan trọng là vì các khí lạnh hơn chứa phần lớn các nguyên tử ghép đôi không bị ảnh hưởng bởi RF nên các hình ảnh chứa thông tin về nhiệt độ của khí. Do đó, các nhà nghiên cứu có thể ghi lại hình ảnh dòng nhiệt trực tiếp, ngay cả khi môi trường đứng yên.

Được trang bị công cụ mới này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một số phép đo. Ở nhiệt độ lạnh nhất, sự nóng lên cục bộ ở một vùng duy nhất gây ra sóng âm thứ hai mạnh. Khi môi trường đạt đến nhiệt độ tới hạn, những sóng này dần dần trở nên ít quan trọng hơn đối với sự truyền nhiệt so với sự khuếch tán đơn giản. Trên nhiệt độ tới hạn, chúng biến mất hoàn toàn. Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy hành vi bất thường ở nhiệt độ tới hạn. Zwierlein nói: “Điều này tương tự đối với bất kỳ quá trình chuyển pha nào như nước sôi trong ấm: bạn thấy bong bóng – mọi thứ trở nên điên rồ”. Cuối cùng, họ đo được độ giảm chấn của âm thanh thứ hai, điều này xuất phát từ thực tế là mặc dù thành phần siêu lỏng chảy mà không có ma sát, nhưng chất lỏng bình thường thì không.

Chất siêu dẫn nhiệt độ cao và sao neutron

Các nhà nghiên cứu cho biết kĩ thuật mới này cũng có thể áp dụng cho chất ngưng tụ Bose–Einstein, và cũng có thể dùng để phân tích mô hình Fermi–Hubbard mới được phát triển gần đây về tính siêu dẫn nhiệt độ cao. Hơn nữa, Zwierlein gợi ý rằng “vật chất bên trong một ngôi sao neutron có hành vi rất giống nhau, thật đáng ngạc nhiên, bởi vì những neutron này cũng tương tác rất mạnh, vì vậy chúng ta đang học được điều gì đó từ luồng khí trong phòng thí nghiệm mỏng hơn không khí hàng triệu lần”. điều gì đó về những ngôi sao neutron điên rồ, rất khó tiếp cận.”

Hadzibabic, người không tham gia vào nghiên cứu, rất ấn tượng. “Không chỉ là họ thực hiện phép đo nhiệt độ tuyệt vời dưới mức nanokelvin – điều này rất khó ngay cả khi nhiệt độ ở mọi nơi đều giống nhau – mà ngoài ra, họ còn có thể thực hiện phép đo cục bộ, đó là chìa khóa để nhìn thấy làn sóng này,” ông nói Thế giới vật lý. “Vì vậy, họ có thể nói ở đây nóng hơn nửa nanokelvin và ở đây, cách xa 20 micron, nó lạnh hơn nửa nanokelvin.” Ông nói rằng ông mong muốn được thấy kỹ thuật này được áp dụng “trong các hệ thống mà chúng ta biết rất ít và ở đó toàn bộ hệ thống còn xa trạng thái cân bằng”.

Nghiên cứu được xuất bản trong Khoa học.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý