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
NatComm: Учёные приблизились к созданию биополимеров, реагирующих на воду | |
Новый подход для понимания и предска... |
В Челябинске разрабатывают инновационное оборудование для вибрационных испытаний | |
Специалисты ЮУрГУ совместно с Уральским и... |
В ТПУ создали многоразовые накопители водорода из отечественного сырья | |
Более дешевые металлогидридные накопители водо... |
Новый подход к производству цифрового света решает проблемы 3D-печати | |
Новый метод производства цифрового света для&n... |
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику | |
Электроны вращаются без электрического за... |
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ | |
Новый программный комплекс представили ученые ... |
МАИ: Дроны-дефектоскописты уступают человеку в точности, зато берут скоростью | |
Методику создания синтетических данных для&nbs... |
Численное моделирование повысит эффективность 3D-печати из стали 316LSi | |
Морская нержавейка, или сталь 316LSi, шир... |
Создан особо пластичный алюминиевый сплав для высокотехнологичных отраслей | |
Новый сплав на основе алюминия создали ис... |
В НГУ разработали первые фильтры для технологии связи 6G | |
Уникальные фильтры для импульсной терагер... |
Nat. Nanotechnol: Разработан самоочищающийся электрод для синтеза пероксидов | |
Пероксиды металлов — MO₂, M=Ca, Sr,... |
В СПбГУ создали новые биоактивные молекулы с помощью золотого катализатора | |
Метод соединения двух простых веществ с п... |
AFM: Разработан материал для поглощения электромагнитных волн широкого спектра | |
Ультратонкий пленочный композитный материал, с... |
PRL: Доказана возможность открытия новых сверхтяжелых элементов | |
Уран — самый тяжелый из извест... |
NE: Новый жидкостный акустический датчик распознаёт голоса в шумной обстановке | |
Инженеры разработали множество сложных датчико... |
Science: Новый метод спектроскопии раскрывает квантовые секреты воды | |
Вода — это жизнь. Но водо... |
В ИРНИТУ создали первую партию инклинометров и объединили их в умную сеть | |
Сотрудники Центра маркшейдерских и геодез... |
Ученые УУНиТ создали первый отечественный станок для сухого электрополирования | |
Ученые Уфимского университета науки и тех... |
Ученые КФУ выяснили, как дефекты в полупроводниках влияют на свет | |
Физическая модель, которая описывает взаимодей... |
Новый метод синтеза лекарств открыли российские химики | |
Новый метод синтеза производных пирролизидина ... |
Advanced Materials: Созданы волокна в одежду для питания смартфона от тепла тела | |
Термоэлектрический материал, который можно исп... |
Ultrafast Science: Ученые успешно ускорили идентификацию молекул лазером | |
В 100 раз ускорили измерения спектроскопи... |
В УрФУ разработали технологию 3D-печати из жаропрочных титановых сплавов | |
Технологию создания жаропрочных сплавов на&nbs... |
Ученые ЮУрГУ предложили уникальную технологию повышения надежности сварки | |
Уникальную технологию повышения надежности сва... |
В Томском университете создали интегральные схемы для российских РЛС | |
Первый российский комплект интегральных схем д... |
Российские ученые приблизились к созданию искусственной сетчатки | |
Оптоэлектронный синапс — мемристор ... |
Экологичная замена полиэтиленовым упаковкам разработана в МГУ | |
Биоразлагаемый полимер — полипропил... |
CS: Создана технология производства компонентов для шампуней и лекарств | |
Исследователи из России и Китая разр... |
APN: Фотонные вычисления помогут продвинуться в области аналоговых вычислений | |
Дифференциальные уравнения с частными про... |
Ученые НИТУ МИСИС разработали магнитные микропровода для имплантатов и датчиков | |
Новые ультратонкие аморфные микропровода, кото... |