В большинстве материалов тепло предпочитает рассеиваться. Если оставить его в покое, горячая точка будет постепенно исчезать, нагревая окружающее пространство. Но в редких состояниях вещества тепло может вести себя как волна, перемещаясь туда-сюда, подобно звуковой волне, отражающейся от одного конца комнаты к другому. Фактически, это волнообразное тепло 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 подобно волне, «перекатываясь» туда-сюда, в то время как физическая материя материала может двигаться совершенно по-другому. На снимках запечатлено чистое движение тепла, не зависящее от частиц материала.
Под руководством Мартина Цвирляйна, профессора физики Томаса Франка, команда визуализировала второй звук в сверхтекучей жидкости — особом состоянии материи, которое возникает, когда облако атомов охлаждается до чрезвычайно низких температур, и в этот момент атомы начинают течь, как жидкость без трения. Теоретики предсказывали, что в таком сверхтекучем состоянии тепло также должно течь как волна, однако до сих пор ученым не удавалось непосредственно наблюдать это явление. Новые результаты, о которых сообщается в журнале Science, помогут физикам получить более полное представление о том, как тепло движется через сверхтекучие жидкости и другие связанные с ними материалы, включая сверхпроводники и нейтронные звезды.
Соавторами Цвирлейна и Флетчера в исследовании являются первый автор и бывший аспирант физики Чжэньцзе Ян, бывшие аспиранты физики Парф Патель и Бисваруп Микерджи, а также Крис Вейл из Технологического университета Суинберна в Мельбурне, Австралия. Исследователи Массачусетского технологического института являются частью Центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарварда (CUA). СуперзвукКогда облака атомов опускаются до температуры, близкой к абсолютному нулю, они могут переходить в редкие состояния материи. Группа Цвирлейна из Массачусетского технологического института изучает экзотические явления, возникающие среди ультрахолодных атомов, и в частности фермионы — частицы, такие как электроны, которые обычно избегают друг друга. Однако при определенных условиях фермионы можно заставить сильно взаимодействовать и объединяться в пары. В таком связанном состоянии фермионы могут течь нетрадиционными путями. Для своих последних экспериментов команда использует фермионные атомы лития-6, которые удерживаются в ловушке и охлаждаются до нанокельвиновых температур. В 1938 году физик Ласло Тиса предложил двухжидкостную модель сверхтекучести, согласно которой сверхтекучая жидкость представляет собой смесь обычной вязкой жидкости и сверхтекучей жидкости без трения. Эта смесь двух жидкостей должна обеспечивать два типа звука — волны обычной плотности и волны особой температуры, которые физик Лев Ландау позже назвал «вторым звуком». Поскольку жидкость переходит в сверхтекучее состояние при определенной критической, сверххолодной температуре, команда MIT решила, что два типа жидкости должны по-разному переносить тепло: В обычных жидкостях тепло должно рассеиваться как обычно, в то время как в сверхтекучей оно может перемещаться в виде волны, подобно звуку.
НастройкаЦвирлейн и его команда стремились выделить и наблюдать второй звук, волнообразное движение тепла, независимо от физического движения фермионов в их сверхтекучей жидкости. Для этого они разработали новый метод термографии — метод теплового картирования. В обычных материалах для получения изображения источников тепла используются инфракрасные датчики. Но при сверххолодных температурах газы не испускают инфракрасного излучения. Вместо этого команда разработала метод использования радиочастот, 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 теплую температуру и содержит больше обычной жидкости, оно резонирует на более высокой частоте. Области в облаке, которые более холодные, резонируют на более низкой частоте. Исследователи применили более высокую резонансную радиочастоту, которая заставила все нормальные, «горячие» фермионы в жидкости зазвенеть в ответ. Затем исследователи смогли определить резонирующие фермионы и проследить за ними во времени, чтобы создать „фильмы“, показывающие чистое движение тепла — хлопанье взад-вперед, похожее на звуковые волны.
Эксперименты ознаменовали собой первый случай, когда ученые смогли напрямую изобразить второй звук и чистое движение тепла в сверхтекучем квантовом газе. Исследователи планируют расширить свою работу, чтобы более точно отобразить поведение тепла в других сверххолодных газах. Затем, по их словам, их результаты могут быть расширены для предсказания движения тепла в других сильно взаимодействующих материалах, например, в высокотемпературных сверхпроводниках и нейтронных звездах.
08.02.2024 |
Хайтек
Неоднородная мягкость тел позволяет создавать более мягкие аморфные материалы | |
Ученые из Токийского столичного университ... |
Созданы чернила для 3D-печати гибких устройств без механических соединений | |
Для инженеров, работающих над мягкой робо... |
Инструмент прогнозирования ускорит исследования в области сверхпроводников | |
Функциональность многих современных передовых ... |
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом | |
С помощью большой языковой модели инженеры Мас... |
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка | |
Слабые флуктуации в сверхпроводимости, яв... |
Роняйте на здоровье. Разработан материал для электроники с адаптивной прочностью | |
Неприятности случаются каждый день, и есл... |
2-фотонная фотоэмиссионная спектроскопия помогла понять поведение электронов | |
Органическая электроника — область,... |
Печатный полимер позволяет изучить хиральность и спины при комнатной температуре | |
Печатаемый органический полимер, который при&n... |
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах | |
Исследовательская группа, работающая в UN... |
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе | |
Исследователи из Стэнфорда приблизились к... |
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий | |
Когда речь заходит о сверхпроводящих куби... |
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний | |
Ученые из Университета Падерборна примени... |
Физики впервые услышали звуки "схлопывания" тепла в сверхтекучей жидкости | |
В большинстве материалов тепло предпочитает ра... |
Nature Communications: Ученые придумали, как защитить золотые катализаторы | |
Впервые исследователи, в том числе и... |
Nature Photonics: Поставлен рекорд эффективности первоскитовых светодиодов | |
Используя простой метод solvent sieve, исследо... |
Создан новый сверхпроводник из иридия, циркония и платины с хиральной структурой | |
Исследователи из Токийского университета ... |
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов | |
Исследователи из Калифорнийского универси... |
В Японии робота с живыми мышцами научили ходить под водой — на суше он высохнет | |
Исследователи из Токийского университета ... |
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути | |
Исследователи из Принстона применили спле... |
Создано доступное и экологичное решение для плоских дисплеев и носимой техники | |
Исследовательская группа под руководством... |
Разработан экологичный способ производства проводящих чернил для электроники | |
Исследователи из Университета Линчепинга,... |
AFM: Ученые разрабатывают технологию интеграции искусственных нейронных сетей | |
С появлением таких новых отраслей, как ис... |
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ | |
Ученые из Томского политехнического униве... |
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света | |
В основе глобальной интернет-связи лежит оптич... |
Создан новый держатель образцов для измерения температур в сверхмалом диапазоне | |
Группа специалистов из Helmholtz-Zentrum ... |
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения | |
Мемристорные устройства представляют собой кат... |
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников | |
Замещающее легирование чужеродными элементами ... |
eLight: Разработан подход для создания сверхчувствительных сенсоров | |
Датчики — важнейшие инструменты для... |
Монополи фазы Берри применили для создания высокотемпературных спинтроников | |
Спинтроники — это электронные ... |
Создан новый подход для разработки новых оптических устройств для биомедицины | |
Интегрированные сети распределения, обработки ... |