Группа исследователей непосредственно наблюдала невиданное ранее тепловое явление в действии, подтвердив существование того, что они теперь называют вторым звуком — весьма необычного способа перемещения тепла через некоторые ультрахолодные материалы. В отличие от обычных веществ, где тепло рассеивается наружу, в сверхтекучих квантовых газах тепло распространяется ритмичными волнами, отскакивая назад и вперед, подобно звуковым волнам, проходящим через воздух.

Этот прорыв, совершенный учеными Массачусетского технологического института (MIT) и опубликованный в журнале Science, представляет собой важный шаг в понимании квантовых материалов, которые могут найти применение в сверхпроводимости, передаче энергии и даже астрофизике.

Новый способ распространения тепла через материю

В обычных материалах тепловая энергия постепенно распространяется от более горячей области к более холодной, подобно тому, как чашка кофе остывает по мере того, как тепло уходит в воздух. Однако в сверхтекучих квантовых газах стандартные правила теплопроводности не действуют. Вместо того чтобы беспорядочно рассеиваться, тепло движется в виде когерентных волн — явление, известное как второй звук.

Ричард Флетчер, доцент физики в Массачусетском технологическом институте, объяснил эту концепцию с помощью аналогии:

«Это как если бы у вас был резервуар с водой и вы довели одну половину воды почти до кипения. Если бы вы наблюдали за этим, то вода выглядела бы совершенно спокойной, но вдруг другая сторона стала горячей, а затем другая сторона стала горячей, и тепло перемещается туда-сюда, в то время как вода выглядит совершенно неподвижной».

Такое поведение наблюдается в сверхтекучих состояниях, когда газы охлаждаются до температуры, приближающейся к абсолютному нулю (-273,15°C). В этой экстремальной среде атомы ведут себя коллективно, образуя жидкость без трения, в которой тепло не просто распространяется — оно движется организованными волнами.

Преодоление проблемы видения невидимого

Хотя в прошлом физики теоретизировали и косвенно измеряли второй звук, никто никогда не визуализировал его напрямую. Одна из главных проблем заключалась в том, что ультрахолодные квантовые газы не испускают инфракрасного излучения, что делает традиционные методы теплового картирования неэффективными.

Чтобы решить эту проблему, ученые Массачусетского технологического института разработали совершенно новый подход, используя радиочастотное слежение за фермионами лития-6 — субатомными частицами, частотная характеристика которых меняется в зависимости от температуры. Тщательно измеряя эти изменения, команда смогла отслеживать распространение тепла в режиме реального времени, впервые эффективно фиксируя движение второго звука.

Последствия для квантовой науки и не только

Хотя это явление может показаться далеким от повседневного применения, его последствия далеко идущие. Второй звук играет важнейшую роль в:

Сверхпроводимости: Понимание того, как движется тепло в экзотических материалах, может способствовать разработке электрических проводников с нулевым сопротивлением.
Квантовые вычисления: Усовершенствованные методы терморегулирования помогут создать более эффективные системы охлаждения для квантовых процессоров.
Астрофизика: Нейтронные звезды демонстрируют экстремальные условия, схожие со сверхтекучими состояниями, поэтому результаты данного исследования могут помочь объяснить их внутреннюю динамику.

Ведущий исследователь Мартин Цвирляйн подчеркнул важность этого открытия, заявив:

«Второй звук — отличительная черта сверхтекучести, но в сверххолодных газах до сих пор его можно было увидеть только в слабом отражении пульсаций плотности, которые сопровождаются этим звуком. Характер тепловой волны не мог быть доказан ранее».

Благодаря этому прорыву ученые теперь намерены изучить, как второй звук ведет себя в различных материалах и условиях. Будущие исследования будут направлены на применение этих знаний в практических технологиях, в частности в области квантовых материалов, сверхпроводников и освоения космоса.

Впервые уловив второй звук, исследователи открыли дверь к новому пониманию теплофизики, которое может пересмотреть способы управления теплом в некоторых из самых передовых технологий будущего.

Экспериментальное подтверждение существования второго звука в сверхтекучих квантовых газах открывает новые горизонты в изучении фундаментальных свойств материи. Ученые получили возможность непосредственно наблюдать тепловые волны, ранее доступные лишь теоретически. Это знаменует собой прорыв в понимании поведения тепла в экстремальных условиях, приближающихся к абсолютному нулю.

Разработанная методика радиочастотного слежения за фермионами лития-6 позволила визуализировать распространение тепла в режиме реального времени, преодолев ограничения традиционных методов теплового картирования. Этот подход открывает возможности для дальнейших исследований тепловых явлений в различных квантовых системах.

Результаты исследования имеют далеко идущие последствия для различных областей науки и техники. Они могут способствовать созданию более эффективных сверхпроводников, систем охлаждения для квантовых компьютеров, а также расширить понимание процессов, происходящих в нейтронных звездах.

В дальнейшем ученые планируют изучить поведение второго звука в различных материалах и условиях, с целью практического применения полученных знаний в передовых технологиях будущего. Это может привести к созданию новых материалов с уникальными тепловыми свойствами и улучшению характеристик существующих устройств.