Как тепло становится звуком: сенсационное открытие физиков из MIT в сверхтекучих жидкостях

Тепло — это форма энергии, которая переходит от более горячих тел к более холодным. Мы привыкли к тому, что тепло распространяется равномерно и постепенно, нагревая все, что встречает на своем пути. Но существуют особые состояния вещества, в которых тепло ведет себя совсем иначе. Оно может перемещаться как волна, отражаясь от границ и переливаясь из стороны в сторону. Это явление называется вторым звуком, и физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые провели его прямое наблюдение.

Что такое второй звук и почему он так интересен? Для ответа на этот вопрос нам нужно понять, что такое сверхтекучая жидкость. Это особое состояние вещества, которое достигается при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. В этом состоянии атомы или молекулы вещества теряют свою индивидуальность и образуют единый квантовый объект, который называется конденсатом Бозе-Эйнштейна. В этом конденсате частицы движутся синхронно и без трения, поэтому жидкость становится сверхтекучей, то есть способной течь без сопротивления.

Сверхтекучая жидкость — это не просто жидкость с нулевой вязкостью. Это жидкость которая имеет свойства обычной жидкости и сверхтекучей компоненты, которая ведет себя как квантовый объект. Эта двокомпонентная модель была предложена в 1938 году венгерским физиком Ласло Тисса, а затем развита советским физиком Львом Ландау. По этой модели, в сверхтекучей жидкости могут существовать два типа звука: первый звук, который представляет собой колебания плотности жидкости, и второй звук, который представляет собой колебания температуры жидкости.

Первый звук — есть привычное наше понимание этого явления. Это продольная волна, которая распространяется за счет сжатия и растяжения среды. В сверхтекучей жидкости первый звук может распространяться как в нормальной, так и в сверхтекучей компоненте, но с разной скоростью. Второй звук — это поперечная волна, которая распространяется за счет переноса тепла от горячих участков к холодным. В сверхтекучей жидкости второй звук может распространяться только в сверхтекучей компоненте, так как нормальная компонента не способна переносить тепло без трения.

Второй звук — это уникальное явление, которое свидетельствует о квантовой природе сверхтекучей жидкости. Оно было предсказано Ландау в 1941 году, но экспериментально обнаружено только в 1950-х годах в жидком гелии-4, а затем в жидком гелии-3. Однако прямое измерение второго звука было очень сложным, так как он сопровождался слабыми плотностными волнами, которые маскировали его характер. Кроме того, второй звук был наблюдаем только при очень низких температурах, близких к точке перехода в сверхтекучее состояние.

Команда физиков из MIT, возглавляемая профессором Мартином Цвирлейном, смогла впервые получить прямые изображения второго звука в сверхтекучем квантовом газе. Для этого они использовали атомы лития-6, которые являются фермионами, то есть частицами, которые избегают друг друга. При очень низких температурах эти атомы могут образовывать пары, которые ведут себя как бозоны, и переходить в сверхтекучее состояние. Этот переход происходит при температуре около 50 нанокельвинов.

Исследователи разработали новый метод термографии, который позволял им «видеть» тепло в сверхтекучем газе. Они обнаружили, что атомы лития-6 резонируют на разных радиочастотах в зависимости от их температуры: чем выше температура, тем выше частота. Используя высокую частоту, они возбуждали «горячие» атомы в газе, а затем отслеживали их движение во времени, создавая «фильмы», которые показывали чистое движение тепла. Они увидели, как тепло перемещалось как волна, отражаясь от границ и переливаясь из стороны в сторону, подобно звуку.

Это был первый случай, когда ученые смогли прямо изобразить второй звук и чистое движение тепла в сверхтекучем квантовом газе. Этот результат имеет большое значение не только для понимания сверхтекучести, но и для других сильно взаимодействующих систем, таких как сверхпроводники высокой температуры и нейтронные звезды. В этих системах теплопроводность играет важную роль, но она трудно измерима и плохо понимается. Теперь физики надеются, что их метод термографии поможет им изучать теплопроводность в этих системах и надеются понять и разработать лучшие материалы для различных приложений.