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 восприятии 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 физика 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 распространяться 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, и одна его половина была почти кипящей», — 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 иллюстрирует, как звуковые волны будут колебаться одновременно в обычной и сверхтекучей жидкости. звуковые волны впервые в сверхтекучей жидкости» />
Второй звук иллюстрирует, как тепло колеблется в сверхтекучей жидкости от одного конца к другому, как это было обнаружено в новом исследовании MIT
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 команда обратилась к радио.
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 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 изобразить «второй звук», когда тепловые волны колеблются взад и вперед.
«Впервые мы можем сфотографировать это вещество как мы охлаждаем его до критической температуры сверхтекучести и непосредственно видим, как он превращается из обычной жидкости, в которой тепло уравновешивается скучно, в сверхтекучую жидкость, в которой тепло течет взад и вперед», — сказал Мартин Цвирляйн, ведущий автор исследования.
Команда утверждает, что наблюдение этого странного явления может помочь ученым лучше понять теплопроводность более редких состояний материи, включая сверхпроводники и нейтронные звезды, что, в свою очередь, позволит им создавать более совершенные системы.
Исследование было опубликовано в журнале Science.
