Физики впервые услышали звуки "схлопывания" тепла в сверхтекучей жидкости

В большинстве материалов тепло предпочитает рассеиваться. Если оставить его в покое, горячая точка будет постепенно исчезать, нагревая окружающее пространство.

Но в редких состояниях вещества тепло может вести себя как волна, перемещаясь туда-сюда, подобно звуковой волне, отражающейся от одного конца комнаты к другому. Фактически, это волнообразное тепло физики называют «вторым звуком».

Признаки второго звука наблюдались лишь в нескольких материалах. Теперь физики Массачусетского технологического института впервые получили прямые изображения второго звука.

Новые изображения показывают, как тепло может двигаться подобно волне, «перекатываясь» туда-сюда, в то время как физическая материя материала может двигаться совершенно по-другому. На снимках запечатлено чистое движение тепла, не зависящее от частиц материала.

Это как если бы у вас был резервуар с водой и вы довели одну половину до кипения, — приводит аналогию доцент Ричард Флетчер.

Если бы вы наблюдали за этим, то вода выглядела бы совершенно спокойной, но вдруг другая сторона стала горячей, а затем другая сторона стала горячей, и тепло перемещается туда-сюда, в то время как вода выглядит совершенно неподвижной.

Под руководством Мартина Цвирляйна, профессора физики Томаса Франка, команда визуализировала второй звук в сверхтекучей жидкости — особом состоянии материи, которое возникает, когда облако атомов охлаждается до чрезвычайно низких температур, и в этот момент атомы начинают течь, как жидкость без трения. Теоретики предсказывали, что в таком сверхтекучем состоянии тепло также должно течь как волна, однако до сих пор ученым не удавалось непосредственно наблюдать это явление.

Новые результаты, о которых сообщается в журнале Science, помогут физикам получить более полное представление о том, как тепло движется через сверхтекучие жидкости и другие связанные с ними материалы, включая сверхпроводники и нейтронные звезды.

Между нашим газом, который в миллион раз тоньше воздуха, и поведением электронов в высокотемпературных сверхпроводниках и даже нейтронов в сверхплотных нейтронных звездах существует тесная связь, — говорит Цвирлейн.

Теперь мы можем в первозданном виде исследовать температурный отклик нашей системы, что позволяет нам узнать о вещах, которые очень трудно понять или даже достичь.

Соавторами Цвирлейна и Флетчера в исследовании являются первый автор и бывший аспирант физики Чжэньцзе Ян, бывшие аспиранты физики Парф Патель и Бисваруп Микерджи, а также Крис Вейл из Технологического университета Суинберна в Мельбурне, Австралия. Исследователи Массачусетского технологического института являются частью Центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарварда (CUA).

Суперзвук

Когда облака атомов опускаются до температуры, близкой к абсолютному нулю, они могут переходить в редкие состояния материи. Группа Цвирлейна из Массачусетского технологического института изучает экзотические явления, возникающие среди ультрахолодных атомов, и в частности фермионы — частицы, такие как электроны, которые обычно избегают друг друга.

Однако при определенных условиях фермионы можно заставить сильно взаимодействовать и объединяться в пары. В таком связанном состоянии фермионы могут течь нетрадиционными путями. Для своих последних экспериментов команда использует фермионные атомы лития-6, которые удерживаются в ловушке и охлаждаются до нанокельвиновых температур.

В 1938 году физик Ласло Тиса предложил двухжидкостную модель сверхтекучести, согласно которой сверхтекучая жидкость представляет собой смесь обычной вязкой жидкости и сверхтекучей жидкости без трения. Эта смесь двух жидкостей должна обеспечивать два типа звука — волны обычной плотности и волны особой температуры, которые физик Лев Ландау позже назвал «вторым звуком».

Поскольку жидкость переходит в сверхтекучее состояние при определенной критической, сверххолодной температуре, команда MIT решила, что два типа жидкости должны по-разному переносить тепло: В обычных жидкостях тепло должно рассеиваться как обычно, в то время как в сверхтекучей оно может перемещаться в виде волны, подобно звуку.

Второй звук — отличительная черта сверхтекучести, но в сверххолодных газах до сих пор его можно было увидеть только в слабом отражении пульсаций плотности, которые идут вместе с ним, — говорит Цвиерлейн.

Характер тепловой волны не мог быть доказан ранее.

Настройка

Цвирлейн и его команда стремились выделить и наблюдать второй звук, волнообразное движение тепла, независимо от физического движения фермионов в их сверхтекучей жидкости. Для этого они разработали новый метод термографии — метод теплового картирования. В обычных материалах для получения изображения источников тепла используются инфракрасные датчики.

Но при сверххолодных температурах газы не испускают инфракрасного излучения. Вместо этого команда разработала метод использования радиочастот, чтобы «увидеть», как тепло движется через сверхтекучую жидкость. Они обнаружили, что фермионы лития-6 резонируют на разных радиочастотах в зависимости от их температуры: Когда облако имеет более теплую температуру и содержит больше обычной жидкости, оно резонирует на более высокой частоте. Области в облаке, которые более холодные, резонируют на более низкой частоте.

Исследователи применили более высокую резонансную радиочастоту, которая заставила все нормальные, «горячие» фермионы в жидкости зазвенеть в ответ. Затем исследователи смогли определить резонирующие фермионы и проследить за ними во времени, чтобы создать „фильмы“, показывающие чистое движение тепла — хлопанье взад-вперед, похожее на звуковые волны.

Впервые мы можем сфотографировать это вещество, когда охлаждаем его до критической температуры сверхтекучести, и непосредственно увидеть, как оно переходит от обычной жидкости, где тепло скучно уравновешивается, к сверхтекучей, где тепло скользит туда-сюда, — говорит Цвиерлейн.

Эксперименты ознаменовали собой первый случай, когда ученые смогли напрямую изобразить второй звук и чистое движение тепла в сверхтекучем квантовом газе. Исследователи планируют расширить свою работу, чтобы более точно отобразить поведение тепла в других сверххолодных газах. Затем, по их словам, их результаты могут быть расширены для предсказания движения тепла в других сильно взаимодействующих материалах, например, в высокотемпературных сверхпроводниках и нейтронных звездах.

Теперь мы сможем точно измерить теплопроводность в этих системах и надеемся понять и разработать более совершенные системы, — заключает Цвирлейн.

08.02.2024