在大多数材料中，热量更倾向于扩散。 如果不管，热点会随着周围环境的变暖而逐渐消失。 但在罕见的物质状态下，热量可以表现为一种波，来回移动，有点像从房间一端反射到另一端的声波。 事实上，这种波状的热量就是物理学家所说的“第二声音”。
仅在少数材料中观察到第二声音的迹象。 现在，麻省理工学院的物理学家首次捕获了第二声音的直接图像。
新图像揭示了热量如何像波浪一样移动，并来回“晃动”，即使材料的物理物质可能以完全不同的方式移动。 这些图像捕捉到了热的纯粹运动，与材料的颗粒无关。
“这就好像你有一箱水，其中一半几乎沸腾了，”助理教授理查德·弗莱彻打了个比方。 “如果你然后观察，水本身可能看起来完全平静，但突然另一边很热，然后另一边很热，热量来回流动，而水看起来完全静止。”
在 Thomas A Frank 物理学教授 Martin Zwierlein 的带领下，该团队可视化了超流体中的第二声——一种特殊的物质状态，当原子云冷却到极低的温度时，原子开始流动就像完全无摩擦的流体一样。 在这种超流体状态下，理论学家预测热量也应该像波一样流动，尽管科学家们直到现在才能够直接观察到这种现象。
第一个声音以简单的动画描绘，是密度波形式的普通声音，其中正常流体和超流体一起振荡。
第二个声音是热量的运动，其中超流体和普通流体相互“晃动”，同时保持密度恒定。
图片：由研究人员提供
今天在杂志上报道的新结果 科学，将帮助物理学家更全面地了解热量如何通过超流体和其他相关材料（包括超导体和中子星）移动。
“我们的气体比空气薄一百万倍，与高温超导体中的电子行为，甚至超致密中子星中的中子之间存在着密切的联系，”兹维尔莱因说。 “现在我们可以原始地探测我们系统的温度响应，这教会我们一些非常难以理解甚至达到的事情。”
Zwierlein 和 Fletcher 的这项研究的共同作者是第一作者、前物理学研究生 Jenjie Yan、前物理学研究生 Parth Patel 和 Biswaroop Mikherjee，以及澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的 Chris Vale。 麻省理工学院的研究人员隶属于麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心 (CUA)。
超级声音
当原子云的温度降至接近绝对零时，它们可以转变为稀有的物质状态。 麻省理工学院的 Zwierlein 团队正在探索超冷原子中出现的奇异现象，特别是费米子——通常会相互避开的粒子，例如电子。
然而，在某些条件下，费米子可以发生强烈的相互作用和配对。 在这种耦合状态下，费米子可以以非常规的方式流动。 在他们最新的实验中，该团队采用了费米子锂 6 原子，这些原子被捕获并冷却到纳开尔文温度。
1938年，物理学家László Tisza提出了超流的双流体模型——超流体实际上是一些正常的粘性流体和无摩擦超流体的混合物。 这种两种流体的混合物应该会产生两种类型的声音，即普通密度波和特殊温度波，物理学家列夫·兰道后来将其称为“第二声音”。
由于流体在某个临界超冷温度下转变为超流体，麻省理工学院的研究小组推断，这两种类型的流体也应该以不同的方式传输热量：在正常流体中，热量应该像往常一样消散，而在超流体中，它可以以不同的方式移动。波，类似于声音。
“第二声音是超流动性的标志，但到目前为止，在超冷气体中，你只能在随之而来的密度波纹的微弱反射中看到它，”兹维尔莱因说。 “热浪的特征以前无法得到证实。”
调音
Zwierlein 和他的团队试图分离和观察第二种声音，即热的波状运动，独立于超流体中费米子的物理运动。 他们通过开发一种新的热成像方法——热图技术来做到这一点。 在传统材料中，人们会使用红外传感器来对热源进行成像。
但在超冷温度下，气体不会发出红外辐射。 相反，该团队开发了一种使用射频来“观察”热量如何通过超流体的方法。 他们发现，锂-6 费米子根据其温度以不同的射频共振：当云处于较高温度并携带更多正常液体时，它会以更高的频率共振。 云中较冷的区域以较低的频率共振。
研究人员应用了更高的谐振射频，促使液体中任何正常的“热”费米子响铃响应。 然后，研究人员能够将共振的费米子归零，并随着时间的推移跟踪它们，以创建揭示热的纯粹运动的“电影”——来回晃动，类似于声波。
“我们第一次可以在这种物质冷却到超流临界温度时对其进行拍照，并直接看到它如何从热平衡的普通流体转变为热来回晃动的超流体。 ”，Zwierlein 说。
这些实验标志着科学家第一次能够直接对第二声音以及超流量子气体中的热运动进行直接成像。 研究人员计划扩展他们的工作，以更精确地绘制其他超冷气体中的热量行为。 然后，他们表示，他们的发现可以扩大规模，以预测其他强相互作用材料（例如高温超导体和中子星）中的热量如何流动。
“现在我们将能够精确测量这些系统中的导热率，并希望了解和设计更好的系统，”Zwierlein 总结道。
这项工作得到了美国国家科学基金会 (NSF)、空军科学研究办公室和万尼瓦尔·布什教员奖学金的支持。 麻省理工学院的团队是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心（NSF 物理前沿中心）的一部分，隶属于麻省理工学院物理系和电子研究实验室 (RLE)。
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2024-02-08 19:00:00
#麻省理工学院的物理学家首次捕捉到超流体中热晃动的声音 #麻省理工学院新闻
