Er zijn twee geluidssnelheden in een Bose-Einstein condensaat. Naast de normale geluidsvoortplanting is er een tweede geluid, wat een kwantumverschijnsel is. Wetenschappers in de groep van Ludwig Mathey van de Universiteit van Hamburg hebben een nieuwe theorie voor dit fenomeen naar voren gebracht.

Als je in een meer springt en je hoofd onder water houdt, alles klinkt anders. Afgezien van de verschillende fysiologische respons van onze oren in lucht en water, dit komt voort uit de verschillende geluidsvoortplanting in water in vergelijking met lucht. Geluid verplaatst zich sneller in water, inchecken bij 1493 m/s, op een comfortabele zomerdag van 25°C. Andere vloeistoffen hebben hun eigen geluidssnelheid, zoals alcohol met 1144 m/s, en helium, als je naar een huiveringwekkende -269°C gaat vanwege de vloeibare toestand, met 180 m/s.

Deze vloeistoffen worden klassieke vloeistoffen genoemd, voorbeelden voor een van de primaire toestanden van materie. Maar als we dat helium een ​​paar graden meer afkoelen, er gebeurt iets dramatisch, het verandert in een kwantumvloeistof. Deze macroscopische weergave van de kwantummechanica is een superfluïde, een vloeistof die zonder wrijving stroomt.

Dus wat hoor je als je de ongelukkige beslissing neemt om je hoofd in deze vloeistof te steken? Verrassend genoeg, u hoort twee keer hetzelfde geluid. Naast het normale geluid van een vloeistof is er het fenomeen van het tweede geluid dat voortkomt uit de kwantumaard van deze vloeistof. Als iemand iets tegen je zegt terwijl hij ondergedompeld is in supervloeibaar helium, je hoort het eerst als eerste geluid, en krijg dan een tweede kans om te luisteren wanneer het als tweede geluid aankomt, zij het sterk gedempt. Voor supervloeibaar helium, tweede geluid is een stuk langzamer dan het eerste geluid, met 25 m/s vs. 250 m/s, tussen 1 en 2 Kelvin.

Terwijl de conventionele theorie van het tweede geluid succesvol is geweest voor superfluïde helium, de opkomst van Bose-Einstein-condensaten van ultrakoude atomen heeft voor nieuwe uitdagingen gezorgd. Een team van wetenschappers onder leiding van Ludwig Mathey van de Universiteit van Hamburg heeft een nieuwe theorie naar voren gebracht die het tweede geluid in deze kwantumvloeistoffen opvangt. onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordeling A .

"Voor supervloeibaar helium, tweede geluid is langzamer dan eerste geluid, " legt co-auteur Vijay Singh uit, "maar we waren verbaasd toen we ontdekten dat dit niet per se waar is, dat de tweede puls sneller kan zijn." Om dit vast te leggen was een nieuwe theoretische benadering nodig. Moderne problemen vragen om moderne oplossingen, zoals ze zeggen.

"We hebben de Feynman-padintegraal gegeneraliseerd om de theorie van superfluïden uit te breiden, " beschrijft hoofdauteur Ilias Seifie de conceptuele vooruitgang. Terwijl het pad integraal, briljant bedacht door Richard Feynman, formuleert kwantummechanica als een som over trajecten, deze trajecten zelf zijn klassiek. "We hebben aangepast hoe deze trajecten eruit zien', vervolgt Seifie, "in onze padintegraal bevatten ze informatie over kwantumfluctuaties." Stel je een poolnoedel voor die zich van A naar B uitstrekt als de visualisatie van een arme man van een traject dat de Feynman-padintegraal binnengaat. De dwarsdoorsnede van de noedel is min of meer rond met een constante diameter over de lengte. Maar in de nieuwe padintegraal, de vorm van de doorsnede kan variëren, het kan elliptische vormen aannemen, stel je voor dat je de zwembadnoedel samenknijpt. passend, natuurkundigen verwijzen naar deze kwantummechanische toestanden als samengedrukte toestanden.

“Deze aanpak is breed toepasbaar, " legt Ludwig Mathey uit, "het kan worden toegepast op elke methode die is gebaseerd op padintegralen." Inderdaad, veel fenomenen op het grensvlak van kwantum- en klassieke fysica kunnen met deze benadering beter worden begrepen. Je zou met dit nieuwe raamwerk misschien wat meer inzicht uit de natuur kunnen persen.