I de flesta material föredrar värme att spridas. Om den lämnas ensam kommer en hotspot gradvis att blekna när den värmer omgivningen. Men i sällsynta tillstånd av materia kan värme bete sig som en våg, som rör sig fram och tillbaka ungefär som en ljudvåg som studsar från ena änden av ett rum till den andra. Faktum är att denna vågliknande värme är vad fysiker kallar "andra ljud."
Tecken på andra ljud har observerats i endast en handfull material. Nu har MIT-fysiker tagit direkta bilder av andra ljud för första gången.
De nya bilderna avslöjar hur värme kan röra sig som en våg, och "slash" fram och tillbaka, även om ett materials fysiska materia kan röra sig på ett helt annat sätt. Bilderna fångar den rena rörelsen av värme, oberoende av ett materials partiklar.
"Det är som om du hade en tank med vatten och fick ena halvan att nästan koka," erbjuder biträdande professor Richard Fletcher som analogi. "Om du sedan tittade på, kan vattnet i sig se helt lugnt ut, men plötsligt är den andra sidan varm, och sedan är den andra sidan varm, och värmen går fram och tillbaka, medan vattnet ser helt stilla ut."
Under ledning av Martin Zwierlein, Thomas A Frank professor i fysik, visualiserade teamet andra ljud i en superfluid - ett speciellt tillstånd av materia som skapas när ett moln av atomer kyls till extremt låga temperaturer, då atomerna börjar flöda som en helt friktionsfri vätska. I detta superfluid tillstånd har teoretiker förutspått att värme också skulle flöda som en våg, även om forskare inte direkt hade kunnat observera fenomenet förrän nu.
De nya resultaten, rapporterade i tidskriften Science , kommer att hjälpa fysiker att få en mer komplett bild av hur värme rör sig genom supervätskor och andra relaterade material, inklusive supraledare och neutronstjärnor.
"Det finns starka kopplingar mellan vår gaspuff, som är en miljon gånger tunnare än luft, och beteendet hos elektroner i högtemperatursupraledare, och till och med neutroner i ultratäta neutronstjärnor," säger Zwierlein. "Nu kan vi undersöka temperaturresponsen i vårt system, vilket lär oss om saker som är mycket svåra att förstå eller till och med nå."
Zwierlein och Fletchers medförfattare till studien är första författare och före detta fysikstudent Zhenjie Yan och före detta fysikstudenter Parth Patel och Biswaroop Mikherjee, tillsammans med Chris Vale vid Swinburne University of Technology i Melbourne, Australien. MIT-forskarna är en del av MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA).
När moln av atomer sänks till temperaturer nära absolut noll, kan de övergå till sällsynta tillstånd av materia. Zwierleins grupp vid MIT utforskar de exotiska fenomen som uppstår bland ultrakalla atomer, och specifikt fermioner – partiklar, såsom elektroner, som normalt undviker varandra.
Under vissa förhållanden kan dock fermioner fås att interagera starkt och paras ihop. I detta kopplade tillstånd kan fermioner flöda på okonventionella sätt. För sina senaste experiment använder teamet fermioniska litium-6-atomer, som fångas och kyls till nanokelvin-temperaturer.
1938 föreslog fysikern László Tisza en tvåvätskemodell för superfluiditet – att en supervätska faktiskt är en blandning av någon normal, trögflytande vätska och en friktionsfri supervätska. Denna blandning av två vätskor bör möjliggöra två typer av ljud, vanliga densitetsvågor och speciella temperaturvågor, som fysikern Lev Landau senare kallade "andra ljud."
Eftersom en vätska övergår till en supervätska vid en viss kritisk, ultrakall temperatur, resonerade MIT-teamet att de två typerna av vätska också borde transportera värme på olika sätt:I normala vätskor bör värme försvinna som vanligt, medan i en supervätska kan den röra sig som en våg, liknande ljud.
"Andra ljud är kännetecknet för superfluiditet, men i ultrakalla gaser har man hittills bara kunnat se det i denna svaga reflektion av densitetsvågorna som följer med det", säger Zwierlein. "Värmeböljans karaktär kunde inte bevisas tidigare."
Zwierlein och hans team försökte isolera och observera andra ljud, den vågliknande rörelsen av värme, oberoende av den fysiska rörelsen av fermioner i deras superfluid. De gjorde det genom att utveckla en ny metod för termografi - en värmekarteringsteknik. I konventionella material skulle man använda infraröda sensorer för att avbilda värmekällor.
Men vid ultrakalla temperaturer avger inte gaser infraröd strålning. Istället utvecklade teamet en metod för att använda radiofrekvens för att "se" hur värmen rör sig genom supervätskan. De fann att litium-6-fermionerna resonerar vid olika radiofrekvenser beroende på deras temperatur:När molnet är vid varmare temperaturer och bär mer normal vätska, resonerar det med en högre frekvens. Områden i molnet som är kallare resonerar med en lägre frekvens.
Forskarna tillämpade den högre resonansradiofrekvensen, vilket fick alla normala, "heta" fermioner i vätskan att ringa som svar. Forskarna kunde sedan nollställa de resonerande fermionerna och spåra dem över tid för att skapa "filmer" som avslöjade värmens rena rörelse – en skvalp fram och tillbaka, liknande ljudvågor.
"För första gången kan vi ta bilder av det här ämnet när vi kyler det genom den kritiska temperaturen av superfluiditet, och direkt se hur det övergår från att vara en normal vätska, där värmen jämvikter sig tråkigt, till en supervätska där värmen skvalpar fram och tillbaka , säger Zwierlein.
Experimenten markerar första gången som forskare har kunnat direkt avbilda andra ljud, och den rena rörelsen av värme i en superfluid kvantgas.
Forskarna planerar att utöka sitt arbete till att mer exakt kartlägga värmens beteende i andra ultrakalla gaser. Sedan säger de att deras fynd kan skalas upp för att förutsäga hur värme flödar i andra starkt interagerande material, som i högtemperatursupraledare och i neutronstjärnor.
"Nu kommer vi att kunna mäta exakt den termiska ledningsförmågan i dessa system och hoppas kunna förstå och designa bättre system," avslutar Zwierlein.
Mer information: Zhenjie Yan et al, Termografi av superfluidövergången i en starkt interagerande Fermi-gas, Science (2024). DOI:10.1126/science.adg3430. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3430
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
