Fysikere fanger de første lyde af varme, der skvulper i en supervæske, og afslører, hvordan varme kan bevæge sig som en bølge

I de fleste materialer foretrækker varme at sprede sig. Hvis det efterlades alene, vil et hotspot gradvist falme, efterhånden som det opvarmer omgivelserne. Men i sjældne tilstande af stof kan varme opføre sig som en bølge, der bevæger sig frem og tilbage lidt som en lydbølge, der hopper fra den ene ende af et rum til den anden. Faktisk er denne bølgelignende varme, hvad fysikere kalder "anden lyd."

Tegn på anden lyd er kun blevet observeret i en håndfuld materialer. Nu har MIT-fysikere taget direkte billeder af anden lyd for første gang.

De nye billeder afslører, hvordan varme kan bevæge sig som en bølge og "slynge" frem og tilbage, selvom et materiales fysiske stof kan bevæge sig på en helt anden måde. Billederne fanger den rene bevægelse af varme, uafhængig af et materiales partikler.

"Det er, som om du havde en tank med vand og fik den ene halvdel til at koge," tilbyder adjunkt Richard Fletcher som analogi. "Hvis du så så på, kunne vandet i sig selv se helt roligt ud, men pludselig er den anden side varm, og så er den anden side varm, og varmen går frem og tilbage, mens vandet ser helt stille ud."

Ledet af Martin Zwierlein, Thomas A Frank professor i fysik, visualiserede holdet anden lyd i en superfluid - en speciel tilstand af stof, der skabes, når en sky af atomer afkøles til ekstremt lave temperaturer, hvorefter atomerne begynder at flyde som en fuldstændig friktionsfri væske. I denne superflydende tilstand har teoretikere forudsagt, at varme også skulle flyde som en bølge, selvom videnskabsmænd ikke havde været i stand til direkte at observere fænomenet indtil nu.

De nye resultater, rapporteret i tidsskriftet Science , vil hjælpe fysikere med at få et mere komplet billede af, hvordan varme bevæger sig gennem supervæsker og andre relaterede materialer, herunder superledere og neutronstjerner.

"Der er stærke forbindelser mellem vores pust af gas, som er en million gange tyndere end luft, og elektronernes opførsel i højtemperatursuperledere og endda neutroner i ultratætte neutronstjerner," siger Zwierlein. "Nu kan vi undersøge vores systems temperaturrespons uberørt, hvilket lærer os om ting, der er meget svære at forstå eller endda nå."

Zwierlein og Fletchers medforfattere på undersøgelsen er førsteforfatter og tidligere fysikstuderende Zhenjie Yan og tidligere fysikstuderende Parth Patel og Biswaroop Mikherjee sammen med Chris Vale ved Swinburne University of Technology i Melbourne, Australien. MIT-forskerne er en del af MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA).

Superlyd

Når skyer af atomer bringes ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, kan de gå over i sjældne tilstande af stof. Zwierleins gruppe på MIT udforsker de eksotiske fænomener, der opstår blandt ultrakolde atomer, og specifikt fermioner - partikler, såsom elektroner, der normalt undgår hinanden.

Under visse forhold kan fermioner dog bringes til at interagere kraftigt og danne par. I denne koblede tilstand kan fermioner flyde på utraditionelle måder. Til deres seneste eksperimenter bruger holdet fermioniske lithium-6-atomer, som fanges og afkøles til nanokelvin-temperaturer.

I 1938 foreslog fysikeren László Tisza en to-væske model for superfluiditet - at en supervæske faktisk er en blanding af en normal, tyktflydende væske og en friktionsfri supervæske. Denne blanding af to væsker skulle give mulighed for to typer lyd, almindelige tæthedsbølger og ejendommelige temperaturbølger, som fysiker Lev Landau senere kaldte "anden lyd."

Da en væske overgår til en supervæske ved en vis kritisk, ultrakold temperatur, ræsonnerede MIT-teamet, at de to typer væske også skulle transportere varme forskelligt:​​I normale væsker bør varme spredes som normalt, hvorimod i en supervæske kunne den bevæge sig som en bølge, svarende til lyd.

"Anden lyd er kendetegnende for superfluiditet, men i ultrakolde gasser kunne man indtil videre kun se det i denne svage afspejling af tæthedsbølgerne, der følger med den," siger Zwierlein. "Hedebølgens karakter kunne ikke bevises før."

Indstilling

Zwierlein og hans team søgte at isolere og observere anden lyd, den bølgelignende bevægelse af varme, uafhængigt af fermioners fysiske bevægelse i deres superfluid. Det gjorde de ved at udvikle en ny metode til termografi - en varmekortlægningsteknik. I konventionelle materialer ville man bruge infrarøde sensorer til at afbilde varmekilder.

Men ved ultrakolde temperaturer afgiver gasser ikke infrarød stråling. I stedet udviklede holdet en metode til at bruge radiofrekvens til at "se", hvordan varme bevæger sig gennem supervæsken. De fandt ud af, at lithium-6-fermionerne resonerer ved forskellige radiofrekvenser afhængigt af deres temperatur:Når skyen er ved varmere temperaturer og bærer mere normal væske, giver den resonans ved en højere frekvens. Områder i skyen, der er koldere, resonerer med en lavere frekvens.

Forskerne anvendte den højere resonante radiofrekvens, som fik alle normale, "varme" fermioner i væsken til at ringe som svar. Forskerne var derefter i stand til at nulstille de resonerende fermioner og spore dem over tid for at skabe "film", der afslørede varmens rene bevægelse - en skvulp frem og tilbage, der ligner lydbølger.

"For første gang kan vi tage billeder af dette stof, mens vi afkøler det gennem den kritiske temperatur af superfluiditet, og direkte se, hvordan det går fra at være en normal væske, hvor varmen ækvilibrerer kedeligt, til en superfluid, hvor varmen skvulper frem og tilbage ," siger Zwierlein.

Eksperimenterne markerer første gang, at forskere har været i stand til direkte at afbilde anden lyd og den rene bevægelse af varme i en superflydende kvantegas.

Forskerne planlægger at udvide deres arbejde til mere præcist at kortlægge varmens adfærd i andre ultrakolde gasser. Derefter siger de, at deres resultater kan skaleres op for at forudsige, hvordan varme flyder i andre stærkt interagerende materialer, såsom i højtemperatur-superledere og i neutronstjerner.

"Nu vil vi være i stand til at måle præcist den termiske ledningsevne i disse systemer og håber at forstå og designe bedre systemer," slutter Zwierlein.

Flere oplysninger: Zhenjie Yan et al., Termografi af superfluidovergangen i en stærkt interagerende Fermi-gas, Science (2024). DOI:10.1126/science.adg3430. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3430

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.