Термография сверхтекучего перехода в сильно взаимодействующем ферми-газе
В 1938 году физик Ласло Тиса предложил двухжидкостную модель сверхтекучести, согласно которой сверхтекучая жидкость 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». В журнале Science сообщается, что учёным удалось визуализировать второй звук в сверхтекучей жидкости. В эксперименте были использованы фермионные атомы лития-6, которые улавливаются и охлаждаются до температур нанокельвина. Новые результаты помогут физикам получить более полную картину того, как тепло перемещается через сверхтекучие жидкости и другие родственные материалы, включая сверхпроводники и нейтронные звезды.
Кредит: CC0 Public Domain
В большинстве материалов тепло предпочитает рассеиваться. Если оставить ее в покое, горячая точка постепенно исчезнет по мере нагревания окружающей среды. Но в редких состояниях материи тепло может вести себя как волна, перемещающаяся взад и вперед, что-то вроде звуковой волны, которая отражается от одного конца комнаты к другому. Фактически, это волнообразное тепло и есть то, что 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 как волна и «перекачиваться» взад и вперед, в то время как физическая материя материала может двигаться совершенно по-другому. Изображения отражают чистое движение тепла, независимое от частиц материала.
«Это как если бы у вас был резервуар с водой, половина которого почти закипела», — предлагает в качестве аналогии доцент Ричард Флетчер. «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».
Под руководством Мартина Цвирляйна, профессора физики Томаса Франка, команда визуализировала второй звук в сверхтекучей жидкости — особом состоянии материи, которое создается, когда облако атомов охлаждается до чрезвычайно низких температур, после чего атомы начинают течь как жидкость, не имеющая трения. Теоретики предсказывали, что в этом сверхтекучем состоянии тепло также должно течь волной, хотя до сих пор ученым не удавалось напрямую наблюдать это явление.
Новые результаты, о которых сообщается в журнале Science, помогут физикам получить более полную картину того, как тепло перемещается через сверхтекучие жидкости и другие родственные материалы, включая сверхпроводники и нейтронные звезды.
«Существует сильная связь между нашим слоем газа, который в миллион раз тоньше воздуха, и поведением электронов в высокотемпературных сверхпроводниках и даже нейтронов в сверхплотных нейтронных звездах», — говорит Цвирляйн. «Теперь мы можем точно исследовать температурную реакцию нашей системы, которая учит нас вещам, что очень трудно понять или даже достичь».
Соавторами Цвирляйна и Флетчера в исследовании являются первый автор и бывший аспирант по физике Чжэньджи Ян и бывшие аспиранты по физике Парт Патель и Бисваруп Микерджи, а также Крис Вейл из Технологического университета Суинберна в Мельбурне, Австралия. Исследователи Массачусетского технологического института входят в Гарвардский центр ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института (CUA).
Супер звук
Когда облака атомов доводятся до температуры, близкой к абсолютному нулю, они могут переходить в редкие состояния материи. Группа Цвирляйна в Массачусетском технологическом институте исследует экзотические явления, возникающие среди ультрахолодных атомов и, в частности, фермионов — частиц, таких как электроны, которые обычно избегают друг друга.
Однако при определенных условиях фермионы могут сильно взаимодействовать и образовывать пары. В этом связанном состоянии фермионы могут течь нетрадиционными способами. Для своих последних экспериментов команда использует фермионные атомы лития-6, которые улавливаются и охлаждаются до температур нанокельвина.
В 1938 году физик Ласло Тиса предложил двухжидкостную модель сверхтекучести, согласно которой сверхтекучая жидкость 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 Массачусетского технологического института 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 слабом отражении пульсаций плотности, которые сопровождают его», — говорит Цвирляйн. «Раньше невозможно было доказать характер тепловой волны».
Настройка
Цвирляйн и его команда стремились изолировать и наблюдать второй звук, волнообразное движение тепла, независимое от физического движения фермионов в их сверхтекучей жидкости. Они сделали это, разработав новый метод термографии — технику теплового картирования. В обычных материалах можно было бы использовать инфракрасные датчики для изображения источников тепла.
Но при сверххолодных температурах газы не испускают инфракрасное излучение. Вместо этого команда разработала метод использования радиочастоты, 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 высокую температуру и содержит больше нормальной жидкости, оно резонирует на более высокой частоте. Более холодные области облака резонируют на более низкой частоте.
Исследователи применили более высокую резонансную радиочастоту, которая заставила любые нормальные, «горячие» фермионы в жидкости звенеть в ответ. Затем исследователи смогли сосредоточить внимание на резонирующих фермионах и отслеживать их с течением времени, чтобы создать «фильмы», показывающие чистое движение тепла — плескание вперед и назад, похожее на звуковые волны.
«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 скучно, в сверхтекучесть, где тепло течет туда и обратно. », — говорит Цвирляйн.
Эти эксперименты ознаменовали собой первый случай, когда ученым удалось напрямую отобразить второй звук и чистое движение тепла в сверхтекучем квантовом газе.
Исследователи планируют расширить свою работу, чтобы более точно отобразить поведение тепла в других ультрахолодных газах. Затем, по их словам, их результаты можно масштабировать, чтобы предсказать, как тепло течет в других сильно взаимодействующих материалах, например, в высокотемпературных сверхпроводниках и в нейтронных звездах.
«Теперь мы сможем точно измерять теплопроводность в этих системах и надеемся понять и спроектировать более совершенные системы», — заключает Цвирляйн.
