Naukowcy z MIT zaobserwowali ciepło przemieszczające się jak fala

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Zwykle energia cieplna przemieszcza się przez rozpraszanie. Gdy jeden obszar materiału jest cieplejszy od innych, jego temperatura stopniowo obniża się i wyrównuje w otoczeniem. Jednak w rzadkich przypadkach i stanach materii, jak w ciekłym czy zestalonym helu, energia cieplna może przemieszczać się jak fala, która odbija się od przeszkody i zawraca. Naukowcy z MIT są pierwszymi, którym udało się bezpośrednio zobrazować to fascynujące zjawisko, a ich praca pomoże w lepszym zrozumieniu przepływu ciepła w nadprzewodnikach i gwiazdach neutronowych.

Teoretycy przewidywali, że energia cieplna może przemieszczać się na podobieństwo fali dźwiękowej odbijającej się i wracającej – stąd zresztą angielska nazwa tego zjawiska, second sound (drugi dźwięk) – gdy chmurę atomów schłodzimy do ekstremalnie niskich temperatur, w których pojawia się zjawisko nadciekłości. Nikt nie potrafił jednak tego „drugiego dźwięku” bezpośrednio obserwować. Udało się to właśnie zespołowi pod kierunkiem profesora Martina Zwierleina.

Gdy chmury atomów zostaną schłodzone do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, pojawiają się egzotyczne stany materii. Zwerlein i jego współpracownicy badają interakcje zachodzące pomiędzy takimi ultrachłodnymi atomami. Szczególnie zaś interesuje ich zachowanie fermionów – na przykład elektronów. Okazuje się bowiem, że w szczególnych warunkach fermiony nie tylko się nie unikają, ale wchodzą w silne interakcje i mogą tworzyć pary. A pary te mogą przemieszczać się w niestandardowy sposób. Na potrzeby ostatnich eksperymentów naukowcy wykorzystali ultrazimne atomy fermionowe litu-6.

Już w 1938 roku László Tisza stwierdził, że ciecze w stanie nadciekłym to tak naprawdę mieszanina zwykłych cieczy z ich lepkością oraz pozbawionej lepkości cieczy nadciekłej. A skoro tak, to w stanie nadciekłości powinny rozprzestrzeniać się dwa rodzaje fal, te standardowe związane ze zmianami ciśnienia i gęstości ośrodka (jak fale dźwiękowe) oraz szczególne fale temperatury, które później nazwano „drugim dźwiękiem”. Pojawienie się „drugiego dźwięku” to zatem oznaka przejścia do stanu nadciekłego, jednak w ultrazimnych gazach można było dotychczas obserwować słabe odbicie fal powodowanych zmianami gęstości. Nie obserwowano ciepła rozprzestrzeniającego się jak fala, wyjaśnia Zwierlein.

Naukowcy chcieli wyizolować „drugi dźwięk”, oddzielić go od fizycznego ruchu fermionów. W tym celu opracowali nową technikę termografii. Zwykle do mapowania ciepła używa się czujników podczerwieni, jednak ultrazimne gazy nie emitują podczerwieni. Dlatego uczeni z MIT wykorzystali częstotliwość radiową do obserwowania przepływu energii cieplnej w licie-6. Odkryli, że badany przez nich materiał rezonuje w dwóch różnych częstotliwościach radiowych, uzależnionych od temperatury. Te fragmenty cieczy, które są cieplejsze, zawierają więc więcej standardowej cieczy, rezonują w wyższej częstotliwości. Te, które są chłodniejsze, w niższej. Uczeni byli w stanie dopasować swój sprzęt tak, by obserwować tylko interesujące ich fermiony i po raz pierwszy zarejestrowali jak energia cieplna przepływa na podobieństwo fali, odbijając się od przeszkód i zawracając.

To tak, jakbyśmy mieli zbiornik z wodą, w którym połowa wody niemal zaczyna wrzeć. Gdy patrzymy na zbiornik, woda wydaje się całkowicie nieruchoma. Jednak nagle okazuje się, że tylko po jednej stronie zbiornika woda jest gorąca, a później tylko po drugiej, ciepło przepływa w tę i z powrotem, a woda nadal wygląda na nieruchomą, obrazowo wyjaśnia profesor Richard Fletcher.

Teraz będziemy w stanie precyzyjnie mierzyć przewodnictwo cieplne tych systemów i projektować lepsze systemy, dodaje Zwierlein.

« powrót do artykułu