«Второй звук» в сверхтекучести: когда тепло становится волной

Впервые ученые Массачусетского технологического института ( MIT ) смогли напрямую зафиксировать явление, известное как «второй звук», в сверхтекучем веществе. Это необычное явление происходит, когда тепло передается подобно звуковым волнам через особое состояние материи.

Обычно тепловая энергия рассеивается в окружающей среде: более горячий объект остывает до температуры близлежащих материалов, одновременно нагревая их, пока не будет достигнуто равновесие. Однако в необычных материалах физика может работать контринтуитивно. Сверхтекучие вещества представляют собой редкое состояние материи с нулевой вязкостью, что означает, что вещество может течь без какого-либо сопротивления или трения. Долгое время предполагалось, что тепло может передаваться через сверхтекучее вещество подобно звуковым волнам – отсюда и название "второй звук", – но до сих пор это не наблюдалось напрямую.

«Это, как если бы у вас был резервуар с водой, и одна его половина была почти кипящей, – говорит ассистент-профессор Ричард Флетчер, один из авторов исследования. – Если бы вы наблюдали за ним, вода казалась бы совершенно спокойной, но внезапно другая сторона нагревается, затем нагревается другая сторона, и тепло колеблется туда-сюда, в то время как вода выглядит совершенно неподвижной».

Для визуализации явления исследователям пришлось создать совершенно новый способ обнаружения тепла. Обычно используются инфракрасные датчики, но создание сверхтекучего вещества включает охлаждение квантового газа почти до абсолютного нуля, при таких низких температурах инфракрасное излучение не испускается. Поэтому команда использовала радиоволны.

Квантовый газ, который использовали исследователи, состоял из фермионов лития-6, и было обнаружено, что чем теплее эти фермионы, тем выше частота их резонанса. Команда подавала на газ более высокую радиочастоту, что заставляло более горячие фермионы в нем резонировать в ответ. Отслеживая, какие из них резонировали в разное время, ученые смогли визуализировать "второй звук" по мере того, как тепловые волны колебались туда-сюда.

«Впервые мы можем сфотографировать это вещество, охлаждая его через критическую температуру сверхтекучести, и напрямую видеть, как оно переходит из обычного жидкого состояния, где тепло равномерно распределяется, в сверхтекучее состояние, где тепло колеблется взад и вперед», - говорит Мартин Цвирлейн, ведущий автор исследования.

Команда утверждает, что наблюдение за этим странным явлением может помочь ученым лучше понять теплопроводность редких состояний материи, включая сверхпроводники и нейтронные звезды, что, в свою очередь, может позволить им разрабатывать более совершенные системы.

Исследование было опубликовано в журнале Science.