Ученые обнаружили, что в сверхтекучей жидкости тепло может вести себя как звук

Обычно, когда что-то нагревается, тепло стремится распространиться наружу, а затем рассеивается. Но в мире сверхтекучего квантового газа все обстоит несколько иначе. Впервые ученым Массачусетского технологического института удалось получить изображение того, как тепло распространяется в виде волны, известной как «второй звук», через эту экзотическую жидкость. Понимание этой динамики может помочь ответить на вопросы о высокотемпературных сверхпроводниках и нейтронных звездах.

В мире обычных, повседневных материалов тепло имеет тенденцию распространяться от локального источника. Бросьте горящий уголь в кастрюлю с водой, и температура жидкости будет медленно повышаться, прежде чем ее тепло в конце концов рассеется. Но в мире полно редких, экзотических материалов, которые не совсем соответствуют этим тепловым правилам.

Вместо того чтобы распространяться, как можно было бы ожидать, эти сверхтекучие квантовые газы «разбрасывают» тепло из стороны в сторону — по сути, оно распространяется в виде волны. Ученые называют такое поведение материала «вторым звуком» (первым является обычный звук через волну плотности). Хотя это явление наблюдалось и раньше, его никогда не удавалось изобразить. Но недавно ученые из Массачусетского технологического института (MIT) наконец-то смогли зафиксировать это движение чистого тепла, разработав новый метод термографии (он же тепловое картирование).

Результаты этого исследования были опубликованы на прошлой неделе в журнале Science, и в пресс-релизе университета, посвященном этому достижению, доцент Массачусетского технологического института и соавтор исследования Ричард Флетчер применил аналогию с кипящим чайником для описания странности, присущей «второму звуку» в этих экзотических сверхтекучих жидкостях.

«Это как если бы у вас был резервуар с водой и вы довели одну половину до кипения«, — говорит Флетчер. «Если бы вы наблюдали за этим, то вода выглядела бы совершенно спокойной, но вдруг другая сторона нагрелась, а затем нагрелась другая сторона, и тепло переходило туда-сюда, в то время как вода выглядела совершенно неподвижной«.

Сверхтекучие жидкости образуются, когда облако атомов подвергается воздействию ультрахолодных температур, приближающихся к абсолютному нулю (−273,15 °C). В этом редком состоянии атомы ведут себя по-другому, создавая по сути жидкость без трения. Именно в этом состоянии без трения тепло, согласно теории, распространяется как волна.

«Второй звук — отличительная черта сверхтекучести, но в сверххолодных газах до сих пор его можно было увидеть только в слабом отражении пульсаций плотности, которые сопровождаются этим звуком«, — сказал ведущий автор работы Мартин Цвирляйн. «Характер тепловой волны не мог быть доказан ранее«.

Чтобы зафиксировать этот второй звук в действии, Цвирляйну и его команде пришлось выйти за рамки привычного теплового метода, поскольку при попытке отследить тепло ультрахолодного объекта возникает большая проблема — он не испускает обычного инфракрасного излучения. Поэтому ученые MIT разработали способ использования радиочастот для отслеживания определенных субатомных частиц, известных как «фермионы лития-6», которые могут быть захвачены с помощью различных частот в зависимости от их температуры (т.е. более теплая температура означает более высокую частоту, и наоборот). Эта новая техника позволила исследователям, по сути, сосредоточиться на более «горячих» частотах (которые все еще оставались очень холодными) и отслеживать возникающую вторую волну во времени.

Хотя экзотические сверхтекучие газы, возможно, и не наполнят нашу жизнь (пока), понимание свойств движения второй волны может помочь в решении вопросов, связанных с высокотемпературными сверхпроводниками (опять же, пока при очень низких температурах) или с запутанной физикой, лежащей в основе нейтронных звезд.