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MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量

2024-2-12 18 2/12

麻省理工学院的科学家们首次在超流体中直接捕捉到了"第二声音"的迹象。当热量像声波一样通过一种不寻常的物质状态时,就会出现这种奇异的现象。在我们的日常经验中,热能会向周围散逸。较热的物体会冷却到附近其他材料的温度,同时使它们升温,直至达到平衡。但是,在非常规材料中,物理学可以以反直觉的方式运行。

MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量

麻省理工学院的科学家们直接观测到了热量在超流体中的奇怪作用 麻省理工学院 Jose-Luis Olivares

超流体是一种罕见的物质状态,它的粘度为零,这意味着物质可以在没有任何阻力或摩擦的情况下流动。人们早就预言,热量应该能够像声波一样在超流体中流动,因此被称为"第二声音",但直到现在才被直接观测到。

"这就好比你有一缸水,让其中一半几乎沸腾,"该研究的作者、助理教授理查德-弗莱彻说。"如果你接着观察,水本身可能看起来完全平静,但突然另一边热了,然后另一边又热了,热量来回流动,而水看起来完全静止。

MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量

第一种声音说明了声波如何在普通流体和超流体中共同震荡

MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量

第二种声音说明了热量是如何通过超流体从一端振荡到另一端的,正如新研究中所探测到的那样

为了给这一现象成像,研究人员必须创造一种全新的热量探测方式。通常情况下会使用红外线传感器,但制造超流体需要将量子气体冷却到几乎绝对零度,而红外线辐射在如此低的温度下是不会发射的。因此,研究小组转而使用无线电。

研究人员使用的量子气体由锂-6 费米子组成,结果发现,这些费米子的温度越高,它们共振的频率就越高。研究小组将较高的无线电频率施加到气体中,这将导致其中较热的费米子产生响应共振。通过追踪哪些费米子在不同时间产生了共振,科学家们就能在热波来回摆动时捕捉到"第二种声音"。

该研究的第一作者马丁-茨维尔林(Martin Zwierlein)说:"我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍照,并直接看到它是如何从热平衡无聊的普通流体转换到热量来回滑动的超流体的。"

研究小组表示,观察这种奇怪的现象可以帮助科学家更好地理解包括超导体和中子星在内的稀有物质状态的热传导性,进而帮助他们设计出更好的系统。

这项研究发表在《科学》杂志上。