Pokazali, jak faluje ciepło. Tego jeszcze nie widzieliśmy
Naukowcy z MIT po raz pierwszy zobrazowali falę samego ciepła w superpłynnym gazie kwantowym. To może wyjaśnić tajemnice nadprzewodników i gwiazd neutronowych.
W świecie znanej nam materii ciepło zwykle zachowuje się bardzo przewidywalnie: powoli rozchodzi się w przestrzeni, aż temperatura się wyrówna. Fizyków od lat intrygowały jednak teoretyczne przewidywania, że w ekstremalnych warunkach może ono zachowywać się jak fala. Teraz zespół z MIT po raz pierwszy pokazał to zjawisko wprost – rejestrując, jak w gazie kwantowym ciepło płynie niczym drugi rodzaj dźwięku.
Fala czystej temperatury
W eksperymencie prowadzonym na MIT fizycy przyjrzeli się materii w skrajnym, trudnym do osiągnięcia stanie. Wykorzystali ultrazimny gaz atomowy, który został schłodzony do temperatur bliskich zeru absolutnemu. W takich warunkach atomy przestają zachowywać się jak niezależne kulki i zaczynają tworzyć wspólny stan kwantowy – superpłyn, w którym tarcie wewnętrzne jest znikome, a przepływ energii i pędu rządzi się innymi regułami niż w zwykłych cieczach.
Teoria przewidywała, że w superpłynach ciepło nie musi rozchodzić się wyłącznie w sposób rozmazany, ale może przyjmować postać uporządkowanej fali – tzw. drugiego dźwięku. Pierwszym dźwiękiem nazywa się klasyczną falę gęstości, którą znamy choćby z akustyki. Drugi dźwięk to natomiast fala rozkładu temperatury: naprzemienne grzbiety i doliny cieplejszych i chłodniejszych obszarów, które wędrują przez ośrodek.
Badacze z MIT odtworzyli w laboratorium sytuację, w której w jednym fragmencie superpłynnego gazu pojawia się niewielki nadmiar ciepła. Zamiast spodziewanego, stopniowego wyrównywania temperatury, zaobserwowali regularne wędrówki cieplejszego obszaru tam i z powrotem – tak jakby w układzie wzbudzono falę, tyle że nie w gęstości, a właśnie w energii termicznej.
Z zewnątrz taka chmura atomów może wyglądać niemal nieruchomo, ale wewnątrz jej struktury temperatura oscyluje w uporządkowany sposób. To bezpośredni, eksperymentalny dowód na istnienie drugiego dźwięku, o którym fizycy pisali w równaniach od dziesięcioleci.
Termowizja dla świata bliskiego zeru absolutnemu
Zarejestrowanie tak subtelnego zjawiska wymagało stworzenia nowej techniki obrazowania temperatury. W przeciwieństwie do zwykłych obiektów, superzimny gaz praktycznie nie emituje promieniowania podczerwonego, więc klasyczna kamera termowizyjna nie ma tu czego zobaczyć.
Zespół MIT wykorzystał do pomiarów fale radiowe. Posłużył się chmurą fermionów litu, których stan kwantowy – a konkretnie częstotliwość, przy której absorbują sygnał radiowy – zależy od temperatury. Dzięki temu udało się potraktować taki gaz jak mapę, na której dla każdego punktu przestrzeni można przypisać inną częstotliwość termiczną.
W praktyce badacze wybierali zakres częstotliwości odpowiadający nieco cieplejszym obszarom superpłynu i śledzili, jak te obszary przemieszczają się w czasie. Z wielu takich kadrów powstał obraz pokazujący, jak fala ciepła przechodzi przez gaz, odbija się i wraca – dokładnie tak, jak przewidywały modele teoretyczne drugiego dźwięku.
Od superpłynnego gazu do nadprzewodników i gwiazd neutronowych
Mechanizmy rządzące przepływem energii w superpłynnych gazach kwantowych są istotne również dla technologii i astrofizyki. Jednym z naturalnych obszarów zastosowań jest fizyka nadprzewodników, w których elektrony tworzą także złożone stany kwantowe, a transport energii i ładunku daleki jest od intuicyjnego.
Lepsze zrozumienie drugiego dźwięku może pomóc wyjaśnić, jak w takich materiałach rozchodzi się ciepło, jak powstają straty energii i od czego zależy stabilność stanów nadprzewodzących. W dłuższej perspektywie przekłada się to na projektowanie nowych materiałów dla energoelektroniki czy kwantowych technologii obliczeniowych.
Przeczytaj także:
Drugi obszar to wnętrza gwiazd neutronowych, czyli niezwykle gęstych obiektów, w których materia również przyjmuje formę superpłynną. Sposób, w jaki ciepło i energia mechaniczna rozchodzą się w takich warstwach, wpływa na tempo stygnięcia gwiazdy, jej reakcję na zaburzenia grawitacyjne oraz obserwowane z Ziemi zjawiska, takie jak nagłe zmiany rotacji. Dane z eksperymentu MIT mogą więc posłużyć jako punkt odniesienia dla modeli opisujących fizykę tych ekstremalnych obiektów.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
