In de meeste materialen verspreidt de warmte zich het liefst. Als je het met rust laat, zal een hotspot geleidelijk vervagen naarmate de omgeving warmer wordt. Maar in zeldzame toestanden van materie kan warmte zich gedragen als een golf, die heen en weer beweegt, ongeveer als een geluidsgolf die van het ene uiteinde van een kamer naar het andere stuitert. In feite is deze golfachtige hitte wat natuurkundigen 'tweede geluid' noemen.

Slechts in een handvol materialen zijn tekenen van een tweede geluid waargenomen. Nu hebben MIT-natuurkundigen voor het eerst directe beelden van tweede geluid vastgelegd.

De nieuwe beelden laten zien hoe warmte zich als een golf kan bewegen en heen en weer kan ‘klotsen’, zelfs als de fysieke materie van een materiaal op een geheel andere manier kan bewegen. De beelden leggen de pure beweging van warmte vast, onafhankelijk van de deeltjes van een materiaal.

"Het is alsof je een tank water hebt en de ene helft bijna kookt", biedt assistent-professor Richard Fletcher als analogie. "Als je dan kijkt, lijkt het water zelf misschien volkomen kalm, maar plotseling is de andere kant heet, en dan is de andere kant heet, en de hitte gaat heen en weer, terwijl het water er volkomen stil uitziet."

Onder leiding van Martin Zwierlein, de Thomas A Frank hoogleraar natuurkunde, visualiseerde het team een ​​tweede geluid in een supervloeistof:een speciale toestand van materie die ontstaat wanneer een wolk van atomen wordt afgekoeld tot extreem lage temperaturen, op welk punt de atomen beginnen te stromen. als een volledig wrijvingsvrije vloeistof. In deze superfluïde toestand hebben theoretici voorspeld dat warmte ook als een golf zou moeten stromen, hoewel wetenschappers het fenomeen tot nu toe niet rechtstreeks hadden kunnen waarnemen.

De nieuwe resultaten, gerapporteerd in het tijdschrift Science , zal natuurkundigen helpen een completer beeld te krijgen van hoe warmte door supervloeistoffen en andere verwante materialen beweegt, waaronder supergeleiders en neutronensterren.

‘Er bestaan ​​sterke verbanden tussen ons gaswolkje, dat een miljoen keer dunner is dan lucht, en het gedrag van elektronen in supergeleiders bij hoge temperaturen, en zelfs van neutronen in ultradichte neutronensterren,’ zegt Zwierlein. "Nu kunnen we de temperatuurreactie van ons systeem nauwkeurig onderzoeken, wat ons leert over dingen die heel moeilijk te begrijpen of zelfs te bereiken zijn."

Zwierlein en Fletcher's co-auteurs van het onderzoek zijn eerste auteur en voormalig natuurkundestudent Zhenjie Yan en voormalige natuurkundestudenten Parth Patel en Biswaroop Mikherjee, samen met Chris Vale van de Swinburne University of Technology in Melbourne, Australië. De MIT-onderzoekers maken deel uit van het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA).

Supergeluid

Wanneer wolken van atomen worden teruggebracht tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, kunnen ze overgaan in zeldzame toestanden van materie. De groep van Zwierlein aan het MIT onderzoekt de exotische verschijnselen die optreden bij ultrakoude atomen, en in het bijzonder fermionen:deeltjes, zoals elektronen, die elkaar normaal gesproken vermijden.

Onder bepaalde omstandigheden kunnen fermionen echter sterk op elkaar inwerken en paren vormen. In deze gekoppelde toestand kunnen fermionen op onconventionele manieren stromen. Voor hun nieuwste experimenten maakt het team gebruik van fermionische lithium-6-atomen, die worden opgevangen en afgekoeld tot nanokelvin-temperaturen.

In 1938 stelde de natuurkundige László Tisza een twee-vloeistoffenmodel voor superfluïditeit voor - dat een supervloeistof eigenlijk een mengsel is van een normale, stroperige vloeistof en een wrijvingsvrije supervloeistof. Dit mengsel van twee vloeistoffen zou twee soorten geluid mogelijk moeten maken:gewone dichtheidsgolven en eigenaardige temperatuurgolven, die natuurkundige Lev Landau later 'tweede geluid' noemde.

Omdat een vloeistof bij een bepaalde kritische, ultrakoude temperatuur overgaat in een supervloeistof, redeneerde het MIT-team dat de twee soorten vloeistoffen ook op een andere manier warmte zouden moeten transporteren:in normale vloeistoffen zou de warmte zoals gewoonlijk moeten verdwijnen, terwijl deze in een supervloeistof zou kunnen bewegen zoals gewoonlijk. een golf, vergelijkbaar met geluid.

‘Het tweede geluid is het kenmerk van superfluïditeit, maar tot nu toe kon je het in ultrakoude gassen alleen zien in deze zwakke weerspiegeling van de dichtheidsrimpelingen die daarmee gepaard gaan,’ zegt Zwierlein. "Het karakter van de hittegolf kon niet eerder worden bewezen."

Afstemmen

Zwierlein en zijn team probeerden het tweede geluid, de golfachtige beweging van warmte, te isoleren en te observeren, onafhankelijk van de fysieke beweging van fermionen in hun supervloeistof. Ze deden dit door een nieuwe thermografiemethode te ontwikkelen:een heat-mapping-techniek. Bij conventionele materialen zou men infraroodsensoren gebruiken om warmtebronnen in beeld te brengen.

Maar bij ultrakoude temperaturen geven gassen geen infraroodstraling af. In plaats daarvan ontwikkelde het team een ​​methode om radiofrequentie te gebruiken om te 'zien' hoe warmte door de supervloeistof beweegt. Ze ontdekten dat de lithium-6-fermionen resoneren op verschillende radiofrequenties, afhankelijk van hun temperatuur:wanneer de wolk warmer is en meer normale vloeistof vervoert, resoneert deze op een hogere frequentie. Regio's in de wolk die kouder zijn, resoneren op een lagere frequentie.

De onderzoekers pasten de hogere resonante radiofrequentie toe, waardoor alle normale, "hete" fermionen in de vloeistof als reactie gingen rinkelen. De onderzoekers konden zich vervolgens op de resonerende fermionen richten en ze in de loop van de tijd volgen om 'films' te maken die de pure beweging van hitte onthulden:een heen en weer klotsen, vergelijkbaar met geluidsgolven.

"Voor de eerste keer kunnen we foto's maken van deze stof terwijl we deze afkoelen tot de kritische temperatuur van superfluïditeit, en direct zien hoe deze overgaat van een normale vloeistof, waar de warmte saai in evenwicht komt, naar een supervloeistof waar de warmte heen en weer klotst. ”, zegt Zwierlein.

De experimenten markeren de eerste keer dat wetenschappers het tweede geluid en de pure beweging van warmte in een supervloeibaar kwantumgas direct in beeld hebben kunnen brengen.

De onderzoekers zijn van plan hun werk uit te breiden om het gedrag van warmte in andere ultrakoude gassen nauwkeuriger in kaart te brengen. Vervolgens zeggen ze dat hun bevindingen kunnen worden opgeschaald om te voorspellen hoe warmte stroomt in andere sterk op elkaar inwerkende materialen, zoals in supergeleiders bij hoge temperaturen en in neutronensterren.

"Nu zullen we de thermische geleidbaarheid in deze systemen nauwkeurig kunnen meten en hopen we betere systemen te begrijpen en te ontwerpen", besluit Zwierlein.

Meer informatie: Zhenjie Yan et al, Thermografie van de superfluïde transitie in een sterk interactief Fermi-gas, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adg3430. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3430

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.