Что такое «второй звук» и как его сфотографировали: новый метод визуализации тепла
В макроскопическом мире, который окружает нас в повседневности, перенос тепловой энергии подчиняется законам диффузии. Если нагреть один участок материала, тепло будет медленно и неизбежно рассеиваться, стремясь выровнять температуру по всему объему. А вот в квантовом мире, при температурах, близких к абсолютному нулю, правила термодинамики меняются. Тепло перестает быть просто хаотическим движением частиц и обретает способность распространяться в виде незатухающей волны, подобно звуку в воздухе.
Группа исследователей из Центра ультрахолодных атомов MIT-Harvard совершила технологический прорыв в области квантовой термодинамики. Им удалось разработать метод прямой визуализации распределения температуры в сильно взаимодействующем квантовом газе. Благодаря этой технологии ученые впервые смогли наблюдать в реальном времени, как хаотическая диффузия сменяется упорядоченным волновым движением — феноменом, известным в теоретической физике как «второй звук».
Полученные данные позволяют моделировать процессы, происходящие внутри объектов, недоступных для прямого изучения: от сверхпроводников нового поколения до ядерной материи в недрах нейтронных звезд.
Проблема невидимого потока
Основная сложность изучения теплопереноса в квантовых системах заключается в отсутствии материального носителя. Когда физики изучают электрический ток, они следят за движением заряженных частиц (электронов). Когда изучают перенос массы — следят за атомами. Но тепло — это энергия возбуждения и энтропия. У него нет массы, нет заряда, и его невозможно увидеть напрямую в микроскоп.
В классической физике температуру часто связывают с плотностью или давлением газа: при нагревании газ расширяется. Но в сложных квантовых жидкостях (суперфлюидах) эта связь нарушается. Плотность вещества может оставаться абсолютно однородной, в то время как внутри него будут протекать бурные тепловые процессы.
До сих пор ученые полагались на косвенные методы измерений, анализируя изменения плотности после того, как газ выпускали из ловушки. Это давало лишь усредненную, статичную картину. Увидеть динамику — то, как именно тепло перетекает из одной точки в другую внутри замкнутой системы — оставалось недостижимой задачей.
Решением стала методика, названная авторами «радиочастотной спектральной термографией».
Принцип радиочастотного термометра
В основе эксперимента лежало использование облака атомов лития-6, пойманных в оптическую ловушку и охлажденных до сверхнизких температур. Литий-6 относится к классу фермионов (частиц с полуцелым спином), что делает его поведение похожим на поведение электронов в металлах или нейтронов в звездах.
Исследователи использовали тот факт, что энергетическое состояние атома в сильно взаимодействующем газе зависит не только от него самого, но и от его окружения. Атомы чувствуют соседей, и интенсивность этого взаимодействия напрямую зависит от локальной температуры.
Для измерений применялись радиочастотные импульсы. Подбирая определенную частоту радиоволны, ученые могли переводить атомы из одного спинового состояния в другое. Вероятность такого перехода (спектральный отклик) менялась в зависимости от температуры в конкретной точке облака.
Фактически, это позволило создать карту распределения температуры с суб-микронным пространственным разрешением и чувствительностью ниже одного нанокельвина. Ученые смогли отделить сигнал, отвечающий за плотность вещества, от сигнала, отвечающего за плотность энтропии (тепла). Это дало возможность наблюдать за чистым тепловым потоком, не привязанным к движению массы.
От диффузии к волновому пакету
Самая значимая часть исследования касалась поведения газа при переходе через критическую температуру сверхтекучести.
Ученые создавали в газе локальное температурное возмущение (нагревали одну область с помощью лазера) и наблюдали за его эволюцией. Пока температура газа оставалась выше критической точки, система вела себя предсказуемо: тепловое пятно медленно расплывалось и угасало. Работал классический механизм диффузии, обусловленный теплопроводностью.
Но как только температура опускалась ниже точки фазового перехода и газ становился сверхтекучим, картина кардинально менялась. Тепловой импульс переставал расплываться. Вместо этого он начинал двигаться через облако газа как единый волновой пакет. Достигнув стенки ловушки, волна отражалась и шла обратно.
Этот феномен называется второй звук.
В обычной акустике (первый звук) мы имеем дело с волнами плотности: области сжатия чередуются с областями разрежения. Второй звук — это волна энтропии. В этом случае колебания происходят не в плотности вещества (она остается постоянной), а в плотности тепловых возбуждений.
Это явление объясняется в рамках двухжидкостной гидродинамической модели Ландау. Согласно этой теории, сверхтекучая жидкость состоит из двух взаимопроникающих компонент:
- Сверхтекучая компонента: движется без трения, имеет нулевую энтропию и не переносит тепло.
- Нормальная компонента: ведет себя как обычная вязкая жидкость и переносит всю энтропию системы.
Второй звук возникает, когда нормальная и сверхтекучая компоненты движутся в противофазе — навстречу друг другу. В одной точке скапливается больше нормальной компоненты (становится горячее), в другой — больше сверхтекучей (становится холоднее), при этом общее количество атомов в каждой точке не меняется.
Унитарный газ как универсальный симулятор
Почему для эксперимента был выбран именно литий-6 в режиме так называемого «унитарного ферми-газа»? Это состояние материи представляет особый интерес для фундаментальной физики из-за своей универсальности.
В унитарном режиме взаимодействие между атомами становится максимально сильным, насколько это допускают законы квантовой механики. В этом состоянии длина рассеяния (параметр, описывающий столкновение частиц) становится бесконечной. В результате свойства газа перестают зависеть от специфики взаимодействия конкретных атомов лития и определяются только плотностью и температурой.
Это свойство называется масштабной инвариантностью. Оно означает, что термодинамические законы, работающие в лабораторном облаке разреженного газа, будут точно так же работать в системах с колоссальной плотностью, если они подчиняются той же статистике Ферми.
Таким образом, лабораторная установка становится точным симулятором для двух важнейших физических систем:
- Нейтронные звезды. Внешняя кора нейтронных звезд состоит из сильно взаимодействующей фермионной материи. Понимание того, как тепло (энтропия) распространяется в этой среде, критически важно для моделей остывания звезд и динамики после слияния нейтронных звезд. Наблюдать эти процессы в телескоп невозможно, но их можно смоделировать на столе.
- Высокотемпературные сверхпроводники. Электронный газ в этих материалах также представляет собой систему сильно коррелированных фермионов. Изучение фазовых переходов в чистом литиевом газе помогает разобраться в механизмах, которые могут привести к созданию проводников, работающих без потерь энергии при нормальных условиях.
Квантовый предел диффузии
Еще одним важным результатом работы стало измерение коэффициента диффузии вблизи точки фазового перехода.
В сильно взаимодействующих системах время, необходимое для восстановления равновесия (релаксации), не может быть сколь угодно малым. Оно ограничено фундаментальными константами. Измерения показали, что коэффициент диффузии второго звука в эксперименте определяется отношением постоянной Планка к массе частицы.
Это наблюдение подтверждает существование универсального квантового предела для процессов переноса. Система рассеивает энергию так быстро, как это вообще позволяет квантовая механика. Тот факт, что измеренные значения совпали с теоретическими предсказаниями для предела Планка, доказывает, что унитарный ферми-газ действительно является идеальной платформой для изучения квантовой гидродинамики.
Значение для будущих исследований
Раньше физики могли изучать только равновесные состояния или медленные процессы. Теперь им доступна динамика неравновесных процессов.
Это позволяет ставить вопросы, ответы на которые раньше можно было искать только в теории. Как происходит турбулентность в квантовых жидкостях? Как релаксирует система после резкого энергетического удара (квенча)? Как теплоперенос работает в системах с нарушенной геометрией или в присутствии примесей?
Исследование MIT-Harvard переводит изучение квантовых жидкостей из области теоретических допущений и косвенных улик в область точных, визуально подтверждаемых измерений. Мы получили инструмент, способный показать невидимую архитектуру тепловых потоков, управляющих поведением самой экстремальной материи во Вселенной.
Источник:arXiv