麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家首次捕捉到了“第二聲音”的直接圖像，即熱量在超流體中來回晃動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。 研究結(jié)果將擴(kuò)大科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)體和中子星熱流的理解。來源：Jose-Luis，麻省理工學(xué)院
麻省理工學(xué)院的第二秒聲學(xué)可視化為理解超流體中熱的波狀行為及其對(duì)各種物質(zhì)狀態(tài)的影響開辟了新途徑，擴(kuò)大了科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)體和中子星熱流的理解。
新圖像揭示了熱量如何像波浪一樣來回“晃動(dòng)”，盡管材料的物理物質(zhì)可能以完全不同的方式移動(dòng)。 這些圖像捕捉到熱的純粹運(yùn)動(dòng)，與材料顆粒無關(guān)。
“這就像你有一箱水，其中一半幾乎沸騰了，”助理教授理查德·弗萊徹說。 “如果你再看，水本身可能看起來完全靜止，但突然另一側(cè)變熱，然后另一側(cè)又變熱，熱量來回流動(dòng)，而水看起來完全靜止?！?span style="display:none">Th6物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
由 -Frank 物理學(xué)教授 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在超流體中可視化了第二秒的聲音。 超流體是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，當(dāng)一團(tuán)原子被冷卻到極低的溫度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種狀態(tài)，此時(shí)原子開始像完全無摩擦的流體一樣流動(dòng)。 在這種超流體狀態(tài)下，理論家預(yù)測(cè)熱量也應(yīng)該像波一樣流動(dòng)，盡管科學(xué)家直到現(xiàn)在還無法直接觀察到這種現(xiàn)象。
簡(jiǎn)單動(dòng)畫中描繪的第一種聲音是密度波形式的普通聲音，其中普通流體和超流體一起振蕩。圖片來源：研究人員提供
第二個(gè)聲音是熱量的運(yùn)動(dòng)，超流體和普通流體在保持相同密度的同時(shí)互相“撞擊”。圖片來源：研究人員提供
最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的新結(jié)果將幫助物理學(xué)家更全面地了解超流體和其他相關(guān)材料（包括超導(dǎo)體和中子星）中的熱量如何流動(dòng)。
“我們的氣體（比空氣薄一百萬倍）與高溫超導(dǎo)體中的電子行為，甚至超高密度中子星中的中子行為之間存在著緊密的聯(lián)系，”說。 “現(xiàn)在我們可以純粹地探測(cè)我們系統(tǒng)的溫度響應(yīng)，這讓我們了解到一些難以理解甚至難以訪問的東西?！?span style="display:none">Th6物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
該研究的共同作者包括第一作者嚴(yán)振杰（前物理學(xué)研究生）、帕斯·帕特爾（前物理學(xué)研究生）和澳大利亞墨爾本斯威本科技大學(xué)的克里斯·維爾（Chris Vale）。 麻省理工學(xué)院的研究人員是麻省理工學(xué)院-哈佛大學(xué)超冷原子中心 (CUA) 的成員。
當(dāng)原子云冷卻到接近絕對(duì)零的溫度時(shí)，它們會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄∮械奈镔|(zhì)狀態(tài)。 麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組正在探索超冷原子之間發(fā)生的奇怪現(xiàn)象，特別是費(fèi)米子——通常會(huì)相互避開的粒子，比如電子。
然而，在某些條件下，費(fèi)米子可以強(qiáng)烈相互作用并配對(duì)。 在這種耦合狀態(tài)下，費(fèi)米子可以以非常規(guī)的方式流動(dòng)。 在最新的實(shí)驗(yàn)中，研究小組捕獲了費(fèi)米子鋰 6 原子，捕獲它們并將它們冷卻到納開爾文溫度。
1938年，物理學(xué)家László Tisza提出了超流體的雙流體模型——超流體實(shí)際上是普通粘性流體和無摩擦超流體的混合物。 這種兩種流體的混合物可以產(chǎn)生兩種類型的聲音，普通密度波和特殊溫度波，物理學(xué)家列夫·蘭道后來將其命名為“第二聲音”。
由于流體在某個(gè)臨界超冷溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)槌黧w，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)推斷這兩種流體也應(yīng)該以不同的方式傳遞熱量：在正常流體中，熱量應(yīng)該像往常一樣消散，而在超流體中波物理學(xué)家，熱量可以像波浪一樣移動(dòng)，類似于聲音。
說：“第二聲音是超流動(dòng)性的標(biāo)志，但在超冷氣體中，迄今為止你只能在密度波紋的微弱反射中看到它，而熱波的特征此前一直未能得到證實(shí)。”
研究小組試圖分離并觀察第二種聲音，即熱的波狀運(yùn)動(dòng)，它與超流體中費(fèi)米子的物理運(yùn)動(dòng)無關(guān)。 為此，他們開發(fā)了一種新的熱成像方法——熱圖技術(shù)。 在傳統(tǒng)材料中，紅外傳感器用于對(duì)熱源進(jìn)行成像。
但在超低溫下，氣體不會(huì)發(fā)出紅外輻射。 相反，該團(tuán)隊(duì)使用無線電頻率來“觀察”熱量如何在超流體中移動(dòng)。 他們發(fā)現(xiàn)鋰-6費(fèi)米子會(huì)根據(jù)溫度產(chǎn)生不同的射頻共振：當(dāng)云層溫度較高且攜帶更多正常液體時(shí)，共振頻率較高。 云層溫度較低的區(qū)域具有較低的共振頻率。
研究人員使用更高的諧振無線電頻率來引起液體中任何正常的“熱”費(fèi)米子發(fā)出響應(yīng)。 然后，研究人員能夠鎖定共振費(fèi)米子并隨著時(shí)間的推移跟蹤它們，從而制作出揭示熱的純粹運(yùn)動(dòng)的“電影”——類似于聲波的來回?fù)u擺。
“我們第一次可以在這種物質(zhì)冷卻到超流體臨界溫度時(shí)對(duì)其進(jìn)行拍攝，并直接看到它如何從具有無聊熱平衡的普通流體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袩醽砘鼗瑒?dòng)的超流體?！?span style="display:none">Th6物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
這些實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著科學(xué)家第一次能夠直接對(duì)超流量子氣體中的第二秒聲波和純熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行成像。 研究人員計(jì)劃擴(kuò)展他們的工作波物理學(xué)家，以更精確地繪制熱量在其他超冷氣體中的行為方式。 這些發(fā)現(xiàn)可以推廣到預(yù)測(cè)其他強(qiáng)相互作用材料（例如高溫超導(dǎo)體和中子星）中的熱量如何流動(dòng)，準(zhǔn)確測(cè)量這些系統(tǒng)的導(dǎo)熱率，并有望理解和設(shè)計(jì)更好的系統(tǒng)。
