בפעם הראשונה, פיזיקאים של MIT לכדו תמונות ישירות של "צליל שני", תנועת החום המתפרץ קדימה ואחורה בתוך נוזל-על. התוצאות ירחיבו את הבנתם של המדענים לגבי זרימת חום במוליכי-על ובכוכבי נויטרונים. קרדיט: חוסה-לואיס אוליבארס, MIT
MITההדמיה של הצליל השני פותחת נתיבים חדשים להבנת התנהגות גלי החום של נוזלי-על והשלכותיו על מצבים שונים של חומר, ומרחיבה את הבנתם של המדענים לגבי זרימת חום במוליכי-על ובכוכבי נויטרונים.
ברוב החומרים, החום מעדיף להתפזר. אם יישאר לבד, נקודה חמה תדעך בהדרגה כשהיא מחממת את סביבתו. אבל במצבים נדירים של חומר, חום יכול להתנהג כגל, לנוע קדימה ואחורה קצת כמו גל קול שמקפץ מקצה אחד של חדר לקצה השני. למעשה, החום דמוי הגל הזה הוא מה שהפיזיקאים מכנים "צליל שני".
סימנים של צליל שני נצפו רק בקומץ חומרים. כעת, פיזיקאים של MIT לכדו תמונות ישירות של צליל שני בפעם הראשונה.
התמונות החדשות חושפות כיצד חום יכול לנוע כמו גל, ו"להשתמט" קדימה ואחורה, אפילו כשהחומר הפיזי של החומר עשוי לנוע בצורה אחרת לגמרי. התמונות לוכדות את התנועה הטהורה של חום, ללא תלות בחלקיקי החומר.
"זה כאילו היה לך מיכל מים והכנת חצי כמעט רותח", מציע עוזר פרופסור ריצ'רד פלטשר כאנלוגיה. "אם הייתם צופים, המים עצמם עשויים להיראות רגועים לחלוטין, אבל פתאום הצד השני חם, ואז הצד השני חם, והחום הולך הלוך ושוב, בעוד המים נראים דוממים לחלוטין."
בראשותו של מרטין זוויירליין, הפרופסור לפיזיקה של תומאס א פרנק, הצוות הדמיין צליל שני בנוזל-על – מצב מיוחד של חומר שנוצר כאשר ענן של אטומים מתקרר לטמפרטורות נמוכות במיוחד, ובשלב זה האטומים מתחילים לזרום. כמו נוזל נטול חיכוכים לחלוטין. במצב העל-נוזל הזה, תיאורטיקנים חזו שגם חום צריך לזרום כמו גל, אם כי מדענים לא הצליחו לצפות ישירות בתופעה עד כה.
צליל ראשון, המתואר באנימציה פשוטה, הוא צליל רגיל בצורה של גלי צפיפות, שבהם נוזל ונוזל רגיל מתנודד יחד. קרדיט: באדיבות החוקרים
צליל שני הוא תנועת החום, שבה נוזל-על ונוזל נורמלי "מתרסק" זה כנגד זה, תוך השארת הצפיפות קבועה. קרדיט: באדיבות החוקרים
התוצאות החדשות, שדווחו לאחרונה בכתב העת מַדָעיעזור לפיסיקאים לקבל תמונה מלאה יותר של האופן שבו חום נע דרך נוזלי-על וחומרים קשורים אחרים, כולל מוליכים וכוכבי נויטרונים.
"יש קשרים חזקים בין שאיפה הגז שלנו, שהיא דקה פי מיליון מהאוויר, לבין התנהגות האלקטרונים במוליכי-על בטמפרטורה גבוהה, ואפילו נויטרונים בכוכבי נויטרונים צפופים במיוחד", אומר זווירליין. "כעת אנו יכולים לחקור באופן ראשוני את תגובת הטמפרטורה של המערכת שלנו, מה שמלמד אותנו על דברים שקשה מאוד להבין או אפילו להגיע אליהם."
המחברים השותפים של זוויירליין ופלטשר במחקר הם הסופר הראשון והסטודנט לתואר שני בפיזיקה ז'נג'י יאן וסטודנטים לתואר שני בפיזיקה פרת' פאטל וביסווארופ מוחרג'י, יחד עם כריס וייל באוניברסיטת סווינבורן לטכנולוגיה במלבורן, אוסטרליה. חוקרי MIT הם חלק ממרכז MIT-הרווארד לאטומים אולטרה-קרים (CUA).
סופר סאונד
כאשר מורידים ענני אטומים לטמפרטורות קרובות ל אפס מוחלט, הם יכולים לעבור למצבים נדירים של חומר. הקבוצה של זוויירליין ב-MIT חוקרת את התופעות האקזוטיות שמופיעות בקרב אטומים קרים במיוחד, ובמיוחד פרמיונים – חלקיקים, כגון אלקטרונים, שבדרך כלל נמנעים זה מזה.
עם זאת, בתנאים מסוימים, ניתן לגרום לפרמיונים ליצור אינטראקציה חזקה ולהיצמד. במצב משולב זה, פרמיונים יכולים לזרום בדרכים לא שגרתיות. עבור הניסויים האחרונים שלהם, הצוות משתמש באטומי ליתיום-6 פרמיוניים, הנלכדים ומקוררים לטמפרטורות ננוקלווין.
בשנת 1938, הפיזיקאי לסלו טיסה הציע מודל של שני נוזלים לנוזל-על – שלפיו נוזל-על הוא למעשה תערובת של נוזל רגיל וצמיג ונוזל-על נטול חיכוך. תערובת זו של שני נוזלים אמורה לאפשר שני סוגי צליל, גלי צפיפות רגילים וגלי טמפרטורה מוזרים, שהפיזיקאי לב לנדאו כינה מאוחר יותר "צליל שני".
מכיוון שנוזל עובר לנוזל-על בטמפרטורה קריטית מסוימת וקרה במיוחד, צוות MIT טען ששני סוגי הנוזל צריכים גם להעביר חום בצורה שונה: בנוזלים רגילים, החום צריך להתפזר כרגיל, בעוד שבנוזל-על הוא יכול לנוע כמו גל, בדומה לקול.
"צליל שני הוא סימן ההיכר של נזילות-על, אבל בגזים קרים עד כה אפשר היה לראות אותו רק בהשתקפות הקלה הזו של אדוות הצפיפות שמתלווים אליו", אומר זווירליין. "לא ניתן היה להוכיח את אופיו של גל החום לפני כן."
כוונון
זוויירליין וצוותו ביקשו לבודד ולהתבונן בצליל שני, תנועת החום דמוית הגל, ללא תלות בתנועה הפיזית של פרמיונים בנוזל העל שלהם. הם עשו זאת על ידי פיתוח שיטה חדשה של תרמוגרפיה – טכניקת מיפוי חום. בחומרים קונבנציונליים משתמשים בחיישני אינפרא אדום כדי לצלם מקורות חום.
אבל בטמפרטורות אולטרה-קרות, גזים אינם פולטים קרינת אינפרא אדומה. במקום זאת, הצוות פיתח שיטה להשתמש בתדר רדיו כדי "לראות" כיצד החום עובר דרך הנוזל העל. הם גילו שהפרמיונים הליתיום-6 מהדהדים בתדרי רדיו שונים בהתאם לטמפרטורה שלהם: כשהענן נמצא בטמפרטורות חמות יותר, ונושא נוזל רגיל יותר, הוא מהדהד בתדר גבוה יותר. אזורים בענן קרים יותר מהדהדים בתדירות נמוכה יותר.
החוקרים יישמו את תדר הרדיו בעל התהודה הגבוהה יותר, מה שגרם לכל פרמיונים רגילים "חמים" בנוזל לצלצל בתגובה. החוקרים יכלו אז לאפס את הפרמיונים המהדהדים ולעקוב אחריהם לאורך זמן כדי ליצור "סרטים" שחשפו את התנועה הטהורה של החום – רידוד קדימה ואחורה, בדומה לגלי קול.
"לראשונה, אנחנו יכולים לצלם תמונות של החומר הזה בזמן שאנחנו מקררים אותו בטמפרטורה הקריטית של נזילות-על, ולראות ישירות איך הוא עובר מהיותו נוזל רגיל, שבו החום מתאזן בצורה משעממת, לנוזל-על שבו החום משתולל קדימה ואחורה ", אומר זוירליין.
הניסויים מסמנים את הפעם הראשונה שמדענים הצליחו לצלם ישירות צליל שני, ואת התנועה הטהורה של חום בגז קוונטי נוזלי. החוקרים מתכננים להרחיב את עבודתם למיפוי מדויק יותר של התנהגות החום בגזים אולטרה-קרים אחרים. לאחר מכן, הם אומרים שניתן להגדיל את הממצאים שלהם כדי לחזות כיצד חום זורם בחומרים אחרים בעלי אינטראקציה חזקה, כמו במוליכי-על בטמפרטורה גבוהה ובכוכבי נויטרונים.
"כעת נוכל למדוד במדויק את המוליכות התרמית במערכות הללו, ולקוות להבין ולתכנן מערכות טובות יותר", מסכם זווירליין.
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (NSF), משרד חיל האוויר למחקר מדעי ומלגת הפקולטה של Vannevar Bush. צוות MIT הוא חלק ממרכז MIT-הרווארד לאטומים אולטרה-קרים (מרכז NSF Physics Frontier) ומזוהה עם המחלקה לפיזיקה של MIT ומעבדת המחקר לאלקטרוניקה (RLE).
