Ученые из Массачусетского технологического института впервые напрямую уловили признаки «второго звука» в сверхтекучей жидкости. Это странное явление возникает, когда тепло движется, как звуковые волны, через необычное состояние материи.
В нашем повседневном ощущении тепла энергия рассеивается в окружающей среде. Более горячий объект будет охлаждаться до температуры других материалов поблизости, одновременно нагревая их, пока не будет достигнуто равновесие.
Но с нетрадиционными материалами тепло может действовать противоречивым образом. Сверхтекучие вещества — это редкое состояние вещества с нулевой вязкостью, что означает, что вещество может течь без какого-либо сопротивления или трения. Давно было предсказано, что тепло должно быть способно перемещаться через сверхтекучую среду, подобную звуковым волнам (отсюда и название «второй звук»), но до сих пор это не наблюдалось напрямую.
«Это как если бы у вас был резервуар с водой, половина которого почти закипела», — сказал доцент Ричард Флетчер, автор исследования. «Если вы затем понаблюдаете, вода сама по себе может выглядеть совершенно спокойной, но внезапно другая сторона становится горячей, а затем другая сторона становится горячей, и тепло перемещается взад и вперед, в то время как вода выглядит совершенно неподвижной».
Чтобы отобразить это явление, исследователям пришлось создать совершенно новый способ обнаружения тепла. Обычно используются инфракрасные датчики, но создание сверхтекучей жидкости предполагает охлаждение квантового газа почти до абсолютного нуля, а инфракрасное излучение не испускается при таких низких температурах. Поэтому вместо этого ученые обратились к радио.
В 1938 году физик Ласло Тиса предложил двухжидкостную модель сверхтекучести: сверхтекучесть на самом деле представляет собой смесь некоторой нормальной вязкой жидкости и сверхтекучей жидкости без трения. Эта смесь двух жидкостей должна учитывать два типа звука: обычные волны плотности и своеобразные температурные волны, которые физик Лев Ландау позже назвал «вторым звуком».
Поскольку жидкость переходит в сверхтекучесть при определенной критической, сверххолодной температуре, команда MIT пришла к выводу, что два типа жидкости также должны переносить тепло по-разному: в нормальных жидкостях тепло должно рассеиваться как обычно, тогда как в сверхтекучих оно может двигаться как волна, подобная звуку.
«Второй звук является признаком сверхтекучести, но в ультрахолодных газах до сих пор его можно было увидеть только в этом слабом отражении пульсаций плотности, которые сопровождают его», — говорят ученые. «Раньше невозможно было доказать характер тепловой волны».
Квантовый газ, который использовали исследователи, состоял из фермионов лития-6, и было обнаружено, что чем теплее были эти фермионы, тем выше частота, на которой они резонировали.
Команда исследователей применила к газу более высокую радиочастоту, что вызвало бы ответный резонанс более горячих фермионов в нем. Отслеживая, какие из них резонировали в разное время, ученые смогли представить «второй звук», когда тепловые волны колеблются взад и вперед.
«Впервые мы можем сфотографировать это вещество, когда мы охлаждаем его до критической температуры сверхтекучести, и непосредственно увидеть, как оно превращается из обычной жидкости, где тепло уравновешивается обычно, в сверхтекучую жидкость, где тепло колеблется взад и вперед», — сказал Мартин Цвирляйн, профессор физик MIT и ведущий автор исследования.
Команда утверждает, что наблюдение этого странного явления может помочь ученым лучше понять теплопроводность редких состояний материи, включая сверхпроводники и нейтронные звезды, что, в свою очередь, позволит им проектировать более совершенные системы.
Исследование было опубликовано в журнале Science.