اولین تصاویر از گرما در یک ابر سیال گرفته شده است

این اولین باری است که دانشمندان توانستند مستقیماً صدای دوم و حرکت خالص گرما را در یک گاز کوانتومی فوق سیال تصویر کنند.

گرما معمولاً به‌عنوان چیزی درنظر گرفته‌ می‌شود که پخش می‌شود و از بین می‌رود. اما در برخی از حالت‌های عجیب و غریب ماده، می‌تواند مانند یک موج رفتار کند و مانند صدا به جلو و عقب بازتابد.

تجسم امواج گرما در یک ابر سیال

پدیده معروف به «صدای دوم» تنها در چند ماده مشاهده شده است. اکنون، برای اولین بار، فیزیکدانان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) تصاویر مستقیمی از صدای دوم درحال حرکت گرفته‌اند.

تصاویر نشان می‌دهند که چگونه گرما می‌تواند مانند یک موج، مستقل از ماده فیزیکی حرکت کند. محققان از یک ابر سیال، حالتی از ماده که در آن اتم‌ها بدون اصطکاک در جریان هستند، به‌عنوان وسیله‌ای برای تجسم صدای دوم استفاده کردند. آنها دریافتند که گرما و ماده می‌توانند در مقابل یکدیگر «آرام شوند» و نوساناتی شبیه امواج صوتی ایجاد کنند.

ریچارد فلچر، استادیار فیزیک در MIT و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گویند: «گویی یک مخزن آب دارید و نیمی از آن تقریباً به جوش می‌آید. اگر نگاه کنید، ممکن است خود آب کاملاً آرام به‌نظر برسد، اما ناگهان طرف دیگری داغ می‌شود. سپس طرف دیگر داغ می‌شود و گرما به عقب و جلو می‌رود، در حالی که آب ساکن به‌نظر می‌رسد.»

این مطالعه که در Science منتشر شده است، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا چگونگی حرکت گرما در ابرسیال‌ها و سایر مواد مرتبط مانند ابررساناها و ستاره‌های نوترونی را درک کنند. این مواد، خواص غیرمعمول و شگفت‌انگیزی مانند مقاومت صفر و رسانایی بی‌نهایت از خود نشان می‌دهند که می‌تواند فناوری‌ها و کاربردهای جدید را فعال کند.

صدا می‌تواند به ما در درک ابر سیال‌ها کمک کند

محققان از ابری از اتم‌های لیتیوم 6 استفاده کردند که فرمیون‌ هستند، نوعی ذره که معمولاً یکدیگر را دفع می‌کنند. آنها با سرد کردن‌ اتم‌ها تا نزدیک به صفر مطلق و اعمال میدان مغناطیسی، آنها را وادار به جفت شدن‌ و تشکیل ابر سیال کردند. سپس از یک پرتو لیزر برای ایجاد یک نقطه داغ در ابر سیال و از یک پرتو لیزر دیگر برای تصویربرداری از امواج گرمایی حاصل استفاده کردند.

آنها مشاهده کردند که امواج گرما به‌صورت متناوب، مشابه امواج صوتی، حرکت می‌کنند و با خارج از فاز امواج ماده هستند. یعنی گرما و ماده در جهت مخالف هم درحال نوسان هستند. این نشانه صدای دوم است که از صدای معمولی متمایز است، جایی که گرما و ماده باهم حرکت می‌کنند.

صدای دوم برای اولین بار توسط لازلو تیسا در سال 1938 پیش‌بینی شد. او مخلوطی از دو سیال را در نظر گرفت که باید دو نوع از موج صدا را ایجاد کند؛ امواج با چگالی معمولی و امواج دمایی عجیب.

از آنجایی که سیال در دمای بحرانی و فوق سرد به یک ابر سیال تبدیل می‌شود، تیم MIT استدلال کرد که دو نوع سیال نیز باید گرما را متفاوت انتقال دهند: در سیالات معمولی، گرما باید به طور معمول از بین برود، درحالی که در یک ابر سیال، می‌تواند به صورت موجی مشابه صدا حرکت کند.

تصویربرداری از گرما

زیرولین، از اعضای تیم MIT گفت که برای اثبات ما نیاز به تصویربرداری داشتیم. در مواد معمولی، می‌توان از حسگرهای مادون قرمز برای تصویربرداری از منابع گرما استفاده کرد.

اما در دماهای فوق سرد، گازها تابش مادون قرمز ساطع نمی‌کنند. بنابراین تیم روشی را برای مشاهده نحوه حرکت گرما در ابر سیال ایجاد کرد.

آنها دریافتند که فرمیون‌های لیتیوم-6 بسته به دمایشان در فرکانس‌های رادیویی مختلف طنین‌انداز می‌شوند. محققان فرکانس رادیویی با رزونانس بالاتری را به کار بردند، که باعث می‌شود هر فرمیون معمولی و «گرم» در مایع، در پاسخ به صدا درآید.

بدین ترتیب آنها توانستند «فیلم‌هایی» بسازند که حرکت خالص گرما را نشان می‌دهد؛ حرکتی به جلو و عقب، شبیه به امواج صوتی.

زیرولین می‌گوید اکنون ما برای اولین‌بار، می‌توانیم از این ماده درحالی‌که آن را در دمای بحرانی ابرسیال سرد می‌کنیم عکس بگیریم. همچنین مستقیماً ببینیم که چگونه از یک سیال معمولی، که در آن گرما به‌طور خسته‌کننده‌ای متعادل می‌شود، به ابرسیالی که در آن گرما به جلو و عقب بازمی‌تابد، تغییر می‌کند.