Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Fysikere fanger lyden af ​​en perfekt væske

MIT -fysikere har skabt en perfekt væske i laboratoriet, og optog lyden af ​​det "perfekte flow". Den måde, hvorpå lyd bevæger sig gennem denne væske, kan bruges til at beregne lyden, og "kvantefriktion, "i neutronstjerner og andre perfekte væsker. Kredit:Christine Daniloff, MIT

For nogle, lyden af ​​et "perfekt flow" kan være den skånsomme klapning af en skovbæk eller måske klirring af vand, der hældes fra en kande. For fysikere, et perfekt flow er mere specifikt, henviser til en væske, der flyder med den mindste friktion, eller viskositet, tilladt af kvantemekanikkens love. Sådan perfekt flydende adfærd er sjælden i naturen, men det menes at forekomme i neutronstjernernes kerner og i det tidlige universs suppe -plasma.

Nu har MIT -fysikere skabt en perfekt væske i laboratoriet, og lyttede til hvordan lydbølger bevæger sig igennem det. Optagelsen er et produkt af et glissando af lydbølger, som teamet sendte gennem en omhyggeligt kontrolleret gas af elementarpartikler kendt som fermioner. De pladser, der kan høres, er de særlige frekvenser, ved hvilke gassen resonerer som en plukket streng.

Forskerne analyserede tusindvis af lydbølger, der rejser gennem denne gas, at måle dens "lyddiffusion, "eller hvor hurtigt lyd forsvinder i gassen, som er direkte relateret til et materiales viskositet, eller indre friktion.

Overraskende, de fandt ud af, at væskens lyddiffusion var så lav, at den kunne beskrives ved en "kvante" mængde friktion, givet af en konstant af naturen kendt som Plancks konstant, og massen af ​​de enkelte fermioner i væsken.

Denne grundlæggende værdi bekræftede, at den stærkt interagerende fermiongas opfører sig som en perfekt væske, og er universel i naturen. Resultaterne, offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , demonstrere første gang, at forskere har været i stand til at måle lyddiffusion i en perfekt væske.

Forskere kan nu bruge væsken som en model for andre, mere komplicerede perfekte strømme, at estimere plasmaets viskositet i det tidlige univers, såvel som kvantefriktionen inden for neutronstjerner - egenskaber, der ellers ville være umulige at beregne. Forskere kan måske endda forudsige de lyde, de laver.

"Det er ret svært at lytte til en neutronstjerne, "siger Martin Zwierlein, Thomas A. Franck professor i fysik ved MIT. "Men nu kunne du efterligne det i et laboratorium ved hjælp af atomer, ryst den atomsuppe og lyt til den, og vide, hvordan en neutronstjerne ville lyde. "

Mens en neutronstjerne og holdets gas er meget forskellige med hensyn til deres størrelse og den hastighed, hvormed lyden bevæger sig igennem, fra nogle grove beregninger anslår Zwierlein, at stjernens resonansfrekvenser ville svare til gasens, og endda hørbar - "hvis du kunne få øret tæt på uden at blive revet fra hinanden af ​​tyngdekraften, "tilføjer han.

Zwierleins medforfattere er hovedforfatter Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher, og Julian Struck fra MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Tryk på, Lyt, lære

For at skabe en perfekt væske i laboratoriet, Zwierleins team genererede en gas af stærkt interagerende fermioner - elementære partikler, såsom elektroner, protoner, og neutroner, der betragtes som byggestenene i al materie. En fermion er defineret af dens halvtals-spin, en egenskab, der forhindrer en fermion i at antage det samme spin som en anden nærliggende fermion. Denne eksklusive natur er det, der muliggør mangfoldigheden af ​​atomstrukturer, der findes i elementernes periodiske system.

"Hvis elektroner ikke var fermioner, men glad for at være i samme tilstand, brint, helium, og alle atomer, og vi selv, ville se det samme ud, som nogle forfærdelige, kedelig suppe, "Siger Zwierlein.

Fermions foretrækker naturligvis at holde sig adskilt fra hinanden. Men når de får en stærk interaktion, de kan opføre sig som en perfekt væske, med meget lav viskositet. For at skabe sådan en perfekt væske, forskerne brugte først et system af lasere til at fange en gas af lithium-6 atomer, der betragtes som fermioner.

Forskerne konfigurerede lasererne præcist til at danne en optisk boks omkring fermiongassen. Laserne blev indstillet således, at hver gang fermionerne ramte kassens kanter, sprang de tilbage i gassen. Også, interaktionerne mellem fermioner blev kontrolleret til at være så stærke som tilladt af kvantemekanik, så inde i kassen, fermioner måtte kollidere med hinanden ved hvert møde. Dette fik fermionerne til at blive til en perfekt væske.

"Vi var nødt til at lave en væske med ensartet tæthed, og først da kunne vi trykke på den ene side, lyt til den anden side, og lære af det, "Zwierlein siger." Det var faktisk ret diffust at komme til dette sted, hvor vi kunne bruge lyd på denne tilsyneladende naturlige måde. "

"Flow på en perfekt måde"

Holdet sendte derefter lydbølger gennem den ene side af den optiske boks ved blot at variere lysstyrken på en af ​​væggene, at generere lydlignende vibrationer gennem væsken ved bestemte frekvenser. De registrerede tusindvis af øjebliksbilleder af væsken, da hver lydbølge rippede igennem.

"Alle disse snapshots giver os tilsammen et sonogram, og det er lidt som hvad der er gjort, når man tager en ultralyd på lægens kontor, "Siger Zwierlein.

Til sidst, de var i stand til at se væskens densitet krusning som reaktion på hver type lydbølge. De ledte derefter efter de lydfrekvenser, der genererede en resonans, eller en forstærket lyd i væsken, ligner at synge på et vinglas og finde den frekvens, hvormed det knuses.

"Kvaliteten af ​​resonanserne fortæller mig om væskens viskositet, eller lyddiffusivitet, "Forklarer Zwierlein." Hvis en væske har lav viskositet, det kan opbygge en meget stærk lydbølge og være meget høj, hvis den rammer den helt rigtige frekvens. Hvis det er en meget tyktflydende væske, så har den ingen gode resonanser. "

Ud fra deres data, forskerne observerede klare resonanser gennem væsken, især ved lave frekvenser. Fra fordelingen af ​​disse resonanser, de beregnede væskens lyddiffusion. Denne værdi, de fandt, kunne også beregnes meget enkelt via Plancks konstant og massen af ​​den gennemsnitlige fermion i gassen.

Dette fortalte forskerne, at gassen var en perfekt væske, og grundlæggende i naturen:Dens lydspredning, og derfor dens viskositet, var ved den lavest mulige grænse fastsat af kvantemekanik.

Zwierlein siger udover at bruge resultaterne til at estimere kvantefriktion i mere eksotisk stof, såsom neutronstjerner, resultaterne kan være nyttige til at forstå, hvordan visse materialer kan fremstilles til at udvise perfekte, superledende flow.

"Dette arbejde forbinder direkte med modstand i materialer, "Siger Zwierlein." Efter at have fundet ud af, hvad der er den laveste modstand, du kan have fra en gas, fortæller vi, hvad der kan ske med elektroner i materialer, og hvordan man kan lave materialer, hvor elektroner kunne flyde på en perfekt måde. Det er spændende. "