МатериалыФизика

Физики запечатлели первые звуки движения тепла в сверхтекучей среде

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».

Первый звук, изображенный в простой анимации, представляет собой обычный звук в виде волн плотности, в которых нормальная жидкость и сверхтекучая жидкость колеблются вместе.
Первый звук, изображенный в этой анимации, представляет собой обычный звук в виде волн плотности, в которых нормальная жидкость и сверхтекучая жидкость колеблются вместе.
Второй звук — это движение тепла, при котором сверхтекучая и нормальная жидкости «хлюпают» друг о друга, оставляя плотность постоянной.
Второй звук иллюстрирует, как тепло колеблется в сверхтекучей жидкости от одного конца к другому, как обнаружено в новом исследовании.

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.

Поделиться в соцсетях
Дополнительно
Science
Показать больше
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Back to top button