Voor sommigen, het geluid van een "perfecte stroming" kan het zachte kabbelen van een bosbeek zijn of misschien het rinkelen van water dat uit een kruik wordt gegoten. Voor natuurkundigen, een perfecte stroom is specifieker, verwijzend naar een vloeistof die stroomt met de kleinste hoeveelheid wrijving, of viscositeit, toegestaan ​​door de wetten van de kwantummechanica. Dergelijk perfect vloeiend gedrag is zeldzaam in de natuur, maar men denkt dat het voorkomt in de kernen van neutronensterren en in het soepele plasma van het vroege heelal.

Nu hebben MIT-fysici een perfecte vloeistof in het laboratorium gecreëerd, en luisterde hoe geluidsgolven er doorheen reizen. De opname is een product van een glissando van geluidsgolven die het team door een zorgvuldig gecontroleerd gas van elementaire deeltjes, bekend als fermionen, stuurde. De toonhoogtes die hoorbaar zijn, zijn de specifieke frequenties waarop het gas resoneert als een getokkelde snaar.

De onderzoekers analyseerden duizenden geluidsgolven die door dit gas reizen, om de "geluidsverspreiding, " of hoe snel geluid verdwijnt in het gas, die rechtstreeks verband houdt met de viscositeit van een materiaal, of interne wrijving.

Verrassend genoeg, ze ontdekten dat de geluidsdiffusie van de vloeistof zo laag was dat het kan worden beschreven door een "kwantum" hoeveelheid wrijving, gegeven door een natuurconstante die bekend staat als de constante van Planck, en de massa van de individuele fermionen in de vloeistof.

Deze fundamentele waarde bevestigde dat het sterk interagerende fermiongas zich gedraagt ​​als een perfecte vloeistof, en is universeel van aard. De resultaten, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , demonstreren de eerste keer dat wetenschappers geluidsdiffusie in een perfecte vloeistof hebben kunnen meten.

Wetenschappers kunnen de vloeistof nu gebruiken als een model voor andere, meer gecompliceerde perfecte stromen, om de viscositeit van het plasma in het vroege heelal te schatten, evenals de kwantumwrijving binnen neutronensterren - eigenschappen die anders onmogelijk te berekenen zouden zijn. Wetenschappers zijn misschien zelfs in staat om de geluiden die ze maken bij benadering te voorspellen.

"Het is best moeilijk om naar een neutronenster te luisteren, " zegt Martin Zwierlein, de Thomas A. Franck hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Maar nu zou je het in een laboratorium kunnen nabootsen met atomen, schud die atoomsoep en luister ernaar, en weet hoe een neutronenster zou klinken."

Hoewel een neutronenster en het gas van het team sterk van elkaar verschillen wat betreft hun grootte en de snelheid waarmee geluid zich voortplant, op basis van enkele ruwe berekeningen schat Zwierlein dat de resonantiefrequenties van de ster vergelijkbaar zijn met die van het gas, en zelfs hoorbaar - "als je je oor dichtbij zou kunnen krijgen zonder te worden verscheurd door de zwaartekracht, " hij voegt toe.

De co-auteurs van Zwierlein zijn hoofdauteur Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher, en Julian Struck van het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Tik, luisteren, leren

Om een ​​perfecte vloeistof in het laboratorium te creëren, Zwierleins team genereerde een gas van sterk op elkaar inwerkende fermionen - elementaire deeltjes, zoals elektronen, protonen, en neutronen, die worden beschouwd als de bouwstenen van alle materie. Een fermion wordt gedefinieerd door zijn halfgetalige spin, een eigenschap die voorkomt dat een fermion dezelfde spin aanneemt als een ander nabijgelegen fermion. Deze exclusieve aard is wat de diversiteit van atomaire structuren in het periodiek systeem der elementen mogelijk maakt.

"Als elektronen geen fermionen waren, maar blij om in dezelfde staat te zijn, waterstof, helium, en alle atomen, en wijzelf, zou er hetzelfde uitzien, als een verschrikkelijke, saaie soep, ' zegt Zwierlein.

Fermionen houden zich natuurlijk liever van elkaar gescheiden. Maar als ze gemaakt zijn om sterk met elkaar in wisselwerking te staan, ze kunnen zich gedragen als een perfecte vloeistof, met een zeer lage viscositeit. Om zo'n perfecte vloeistof te creëren, de onderzoekers gebruikten eerst een systeem van lasers om een ​​gas van lithium-6-atomen te vangen, die als fermionen worden beschouwd.

De onderzoekers hebben de lasers nauwkeurig geconfigureerd om een ​​optische doos rond het fermiongas te vormen. De lasers waren zo afgesteld dat wanneer de fermionen de randen van de doos raakten, ze terugkaatsten in het gas. Ook, de interacties tussen fermionen werden gecontroleerd om zo sterk te zijn als toegestaan ​​door de kwantummechanica, zodat in de doos, fermionen moesten bij elke ontmoeting met elkaar in botsing komen. Hierdoor veranderden de fermionen in een perfecte vloeistof.

"We moesten een vloeistof maken met een uniforme dichtheid, en alleen dan konden we aan één kant tikken, luister naar de andere kant, en leer ervan, " zegt Zwierlein. "Het was eigenlijk best moeilijk om op deze plek te komen waar we op deze ogenschijnlijk natuurlijke manier geluid konden gebruiken."

"Flow op een perfecte manier"

Het team stuurde vervolgens geluidsgolven door één kant van de optische doos door simpelweg de helderheid van een van de muren te variëren, om op bepaalde frequenties geluidsachtige trillingen door de vloeistof te genereren. Ze namen duizenden snapshots van de vloeistof op terwijl elke geluidsgolf er doorheen golfde.

"Al deze snapshots samen geven ons een echo, en het lijkt een beetje op wat er wordt gedaan bij het maken van een echo bij de dokter, ' zegt Zwierlein.

Uiteindelijk, ze waren in staat om de dichtheid van de vloeistof te zien rimpelen als reactie op elk type geluidsgolf. Vervolgens zochten ze naar de geluidsfrequenties die resonantie opwekten, of een versterkt geluid in de vloeistof, vergelijkbaar met zingen bij een wijnglas en het vinden van de frequentie waarmee het verbrijzelt.

"De kwaliteit van de resonanties vertelt me ​​over de viscositeit van de vloeistof, of geluidsverspreiding, " legt Zwierlein uit. "Als een vloeistof een lage viscositeit heeft, het kan een zeer sterke geluidsgolf opbouwen en erg luid zijn, als het op de juiste frequentie wordt geraakt. Als het een zeer stroperige vloeistof is, dan heeft het geen goede resonanties."

Uit hun gegevens, de onderzoekers observeerden duidelijke resonanties door de vloeistof, vooral bij lage frequenties. Uit de verdeling van deze resonanties, ze berekenden de geluidsdiffusie van de vloeistof. deze waarde, ze vonden, kon ook heel eenvoudig worden berekend via de constante van Planck en de massa van het gemiddelde fermion in het gas.

Dit vertelde de onderzoekers dat het gas een perfecte vloeistof was, en fundamenteel van aard:de geluidsverspreiding, en dus de viscositeit, was op de laagst mogelijke limiet ingesteld door de kwantummechanica.

Zwierlein zegt dat naast het gebruik van de resultaten om kwantumwrijving in meer exotische materie te schatten, zoals neutronensterren, de resultaten kunnen helpen om te begrijpen hoe bepaalde materialen perfect kunnen worden weergegeven, supergeleidende stroom.

"Dit werk sluit direct aan op weerstand in materialen, " Zegt Zwierlein. "Als we hebben uitgezocht wat de laagste weerstand is die je zou kunnen hebben van een gas, vertelt ons wat er kan gebeuren met elektronen in materialen, en hoe je materialen zou kunnen maken waarin elektronen perfect kunnen stromen. Dat is spannend."