Ученые Массачусетского технологического института впервые уловили признаки «второго звука» непосредственно в сверхтекучей жидкости. Странное явление возникает, когда тепло распространяется, как звуковые волны, через необычное состояние материи. В нашем повседневном опыте тепловая энергия уходит в окружающую среду. Более горячий объект охлаждается до температуры других близлежащих материалов, нагревая их до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Однако с нетрадиционными материалами физика может работать противоречивым образом.
Сверхтекучесть — это редкое состояние материи, имеющее нулевую вязкость, что означает, что материя может течь без какого-либо сопротивления или трения. Давно было предсказано, что тепло должно иметь возможность течь в сверхтекучих средах, подобно звуковым волнам, отсюда и название «второй звук», но до сих пор это не наблюдалось напрямую.
«Это похоже на то, как будто у вас есть резервуар с водой, и половина его почти кипит», — сказал автор исследования Ричард Флетчер, доцент. «Если вы затем посмотрите, сама вода может выглядеть совершенно неподвижной, но затем внезапно другая сторона становится горячей, а затем другая сторона снова становится горячей, и тепло течет взад и вперед, в то время как вода выглядит совершенно неподвижной.
Чтобы отобразить это явление, исследователям пришлось создать совершенно новый способ обнаружения тепла. Обычно используются инфракрасные датчики, но для создания сверхтекучести требуется охлаждение квантового газа почти до абсолютного нуля, а инфракрасное излучение не испускается при таких низких температурах. Поэтому команда обратилась к радио.
Исследователи использовали квантовый газ, состоящий из фермионов лития-6, и обнаружили, что чем выше температура этих фермионов, тем выше частота, на которой они резонируют. Команда применила к газу более высокие радиочастоты, что заставило более горячие фермионы внутри него резонировать в ответ. Отслеживая, какие фермионы резонируют в разное время, ученые могут уловить «второй звук», когда тепловые волны колеблются взад и вперед.
Мартин Цвирляйн, первый автор исследования, заявил: «Впервые мы можем сфотографировать это вещество, когда оно охлаждается до критической температуры сверхтекучести, и непосредственно увидеть, как оно переключается из обычной жидкости со скучным тепловым равновесием в сверхтекучесть с скользящим туда-сюда теплом».
Команда говорит, что наблюдение этого странного явления может помочь ученым лучше понять проводимость тепла в более редких состояниях материи, включая сверхпроводники и нейтронные звезды, и, в свою очередь, помочь им проектировать более совершенные системы.
Исследование было опубликовано в журнале Science.