För vissa, ljudet av ett "perfekt flöde" kan vara den skonsamma skällningen av en skogsbäck eller kanske klingret av vatten som hälls från en kanna. För fysiker, ett perfekt flöde är mer specifikt, med hänvisning till en vätska som flyter med minsta friktion, eller viskositet, tillåtet enligt kvantmekanikens lagar. Sådant perfekt flytande beteende är sällsynt i naturen, men det antas förekomma i neutronstjärnornas kärnor och i det tidiga universums soppiga plasma.

Nu har MIT -fysiker skapat en perfekt vätska i laboratoriet, och lyssnade på hur ljudvågor rör sig genom den. Inspelningen är en produkt av ett glissando av ljudvågor som laget skickade genom en noggrant kontrollerad gas av elementära partiklar som kallas fermioner. Tonhöjden som kan höras är de specifika frekvenser vid vilka gasen resonerar som en plockad sträng.

Forskarna analyserade tusentals ljudvågor som färdades genom denna gas, för att mäta dess "ljuddiffusion, "eller hur snabbt ljud försvinner i gasen, som är relaterat direkt till ett materials viskositet, eller inre friktion.

Förvånande, de fann att vätskans ljuddiffusion var så låg att den kunde beskrivas med en "kvant" mängd friktion, givet av en konstant av naturen som kallas Plancks konstant, och massan av de enskilda fermionerna i vätskan.

Detta grundvärde bekräftade att den starkt interagerande fermiongasen beter sig som en perfekt vätska, och är universell till sin natur. Resultaten, publiceras idag i tidningen Vetenskap , visa första gången som forskare har kunnat mäta ljuddiffusion i en perfekt vätska.

Forskare kan nu använda vätskan som en modell för andra, mer komplicerade perfekta flöden, att uppskatta plasmans viskositet i det tidiga universum, liksom kvantfriktionen inom neutronstjärnor - egenskaper som annars vore omöjliga att beräkna. Forskare kan till och med förutse ungefär vilka ljud de gör.

"Det är ganska svårt att lyssna på en neutronstjärna, "säger Martin Zwierlein, Thomas A. Franck professor i fysik vid MIT. "Men nu kan du efterlikna det i ett laboratorium med hjälp av atomer, skaka den atomsoppan och lyssna på den, och vet hur en neutronstjärna skulle låta. "

Medan en neutronstjärna och lagets gas skiljer sig mycket när det gäller deras storlek och hastigheten med vilken ljudet passerar, från några grova beräkningar Zwierlein uppskattar att stjärnans resonansfrekvenser skulle likna gasens, och till och med hörbar - "om du kunde få ditt öra nära utan att bli sönderdelad av tyngdkraften, " han lägger till.

Zwierleins medförfattare är huvudförfattaren Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher, och Julian Struck från MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Knacka, lyssna, lära sig

För att skapa en perfekt vätska i labbet, Zwierleins team genererade en gas av starkt interagerande fermioner - elementära partiklar, som elektroner, protoner, och neutroner, som betraktas som byggstenar i all materia. En fermion definieras av dess halvtaliga snurr, en egenskap som hindrar en fermion från att anta samma snurr som en annan närliggande fermion. Denna exklusiva natur är det som möjliggör mångfalden av atomstrukturer som finns i det periodiska systemet.

"Om elektroner inte var fermioner, men glad att vara i samma tillstånd, väte, helium, och alla atomer, och vi själva, skulle se likadant ut, som några hemska, tråkig soppa, "Säger Zwierlein.

Fermions föredrar naturligtvis att skilja sig från varandra. Men när de tvingas att interagera starkt, de kan bete sig som en perfekt vätska, med mycket låg viskositet. För att skapa en så perfekt vätska, forskarna använde först ett lasersystem för att fånga en gas av litium-6 atomer, som anses vara fermioner.

Forskarna konfigurerade lasrarna exakt för att bilda en optisk låda runt fermiongasen. Lasrarna var avstämda så att när fermionerna träffade lådans kanter studsade de tillbaka i gasen. Också, växelverkan mellan fermioner kontrollerades vara så stark som kvantmekaniken tillåter, så att inuti lådan, fermioner var tvungna att kollidera med varandra vid varje möte. Detta fick fermionerna att bli en perfekt vätska.

"Vi var tvungna att göra en vätska med likformig densitet, och först då kunde vi knacka på ena sidan, lyssna på andra sidan, och lära av det, "Säger Zwierlein." Det var faktiskt ganska diffust att komma till den här platsen där vi kunde använda ljud på detta till synes naturliga sätt. "

"Flöda på ett perfekt sätt"

Teamet skickade sedan ljudvågor genom ena sidan av den optiska lådan genom att helt enkelt variera ljusstyrkan på en av väggarna, att generera ljudliknande vibrationer genom vätskan vid särskilda frekvenser. De spelade in tusentals ögonblicksbilder av vätskan när varje ljudvåg krusade igenom.

"Alla dessa ögonblicksbilder ger oss tillsammans ett sonogram, och det är lite som vad man gjort när man tar ultraljud på läkarkontoret, "Säger Zwierlein.

I slutet, de kunde se vätskans densitet krusa som svar på varje typ av ljudvåg. De letade sedan efter de ljudfrekvenser som genererade en resonans, eller ett förstärkt ljud i vätskan, liknande att sjunga på ett vinglas och hitta frekvensen som det går sönder.

"Resonansernas kvalitet berättar om vätskans viskositet, eller ljuddiffusivitet, "Förklarar Zwierlein." Om en vätska har låg viskositet, det kan bygga upp en mycket stark ljudvåg och vara väldigt högljudd, om den träffas med rätt frekvens. Om det är en mycket viskös vätska, då har den inga bra resonanser. "

Från deras data, forskarna observerade tydliga resonanser genom vätskan, särskilt vid låga frekvenser. Från fördelningen av dessa resonanser, de beräknade vätskans ljuddiffusion. Detta värde, de hittade, kan också beräknas mycket enkelt via Plancks konstant och massan av den genomsnittliga fermionen i gasen.

Detta berättade för forskarna att gasen var en perfekt vätska, och grundläggande i naturen:dess ljudspridning, och därför dess viskositet, låg på den lägsta möjliga gränsen som kvantmekaniken ställde in.

Zwierlein säger att förutom att använda resultaten för att uppskatta kvantfriktion i mer exotisk materia, som neutronstjärnor, resultaten kan vara till hjälp för att förstå hur vissa material kan göras för att uppvisa perfekt, supraledande flöde.

"Detta arbete ansluter direkt till motstånd i material, "Säger Zwierlein." Efter att ha kommit fram till vad som är det lägsta motståndet du kan ha från en gas berättar vi vad som kan hända med elektroner i material, och hur man kan göra material där elektroner kan flöda på ett perfekt sätt. Det är spännande."