麻省理工學院物理學家首次捕捉到超流體"第二聲音"的直接圖像

在大多數材料中，熱量喜歡散射。如果任其發展，熱點會隨着周圍環境的升溫而逐漸消失。但在罕見的物質狀態中，熱量可以像波浪一樣來回移動，有點像從房間的一端反彈到另一端的聲波。事實上，這種波狀熱就是物理學家所說的"第二聲音"。人們只在少數幾種材料中觀察到這種跡象。現在，麻省理工學院的物理學家首次捕捉到了第二聲的直接圖像。

麻省理工學院的物理學家首次捕捉到了"第二聲音"的直接圖像，即在超流體中來回晃動的熱量運動。這些成果將拓展科學家對超導體和中子星中熱流的理解。資料來源：Jose-Luis Olivares，麻省理工學院

麻省理工學院的秒聲可視化技術爲理解超流體中熱量的波狀行爲及其對各種物質狀態的影響開闢了新的道路，拓展了科學家對超導體和中子星中熱流的理解。

新圖像揭示了熱量如何像波浪一樣來回"晃動"，即使材料的物理物質可能以完全不同的方式運動。這些圖像捕捉到了熱量的純粹運動，與材料的粒子無關。

"這就好比你有一缸水，讓其中一半幾乎沸騰，"助理教授理查德-弗萊徹打了個比方。"如果你接着觀察，水本身可能看起來完全平靜，但突然另一邊熱了，然後另一邊又熱了，熱量來回流動，而水看起來完全靜止。"

在托馬斯-弗蘭克物理學教授馬丁-茨維爾萊因（Martin Zwierlein）的領導下，研究小組將超流體中的秒聲進行了可視化。超流體是一種特殊的物質狀態，當一團原子被冷卻到極低的溫度時就會產生超流體，此時原子開始像完全無摩擦的流體一樣流動。在這種超流體狀態下，理論家們預測熱量也應該像波浪一樣流動，不過科學家們直到現在才能夠直接觀察到這種現象。

簡單動畫中描述的第一種聲音是密度波形式的普通聲音，其中正常流體和超流體一起振盪。圖片來源：研究人員提供

第二種聲音是熱量的運動，超流體和普通流體相互"撞擊"，同時保持密度不變。圖片來源：研究人員提供

最近在《科學》雜誌上發表的這項新成果將幫助物理學家更全面地瞭解熱量是如何在超流體和其他相關材料（包括超導體和中子星）中流動的。

"我們這團比空氣稀薄一百萬倍的氣體與高溫超導體中電子的行爲，甚至是超密集中子星中的中子的行爲之間存在着緊密的聯繫，"Zwierlein 說。"現在，我們可以純粹地探測我們系統的溫度響應，這讓我們瞭解到一些很難理解甚至很難觸及的東西。"

Zwierlein和Fletcher在這項研究中的合作作者包括第一作者、前物理學研究生顏振杰、前物理學研究生Parth Patel和Biswaroop Mukherjee，以及澳大利亞墨爾本斯威本科技大學的Chris Vale。麻省理工學院的研究人員是麻省理工學院-哈佛大學超冷原子中心（CUA）的成員。

當原子云被降到接近絕對零度的溫度時，它們會轉變爲罕見的物質狀態。Zwierlein 在麻省理工學院的研究小組正在探索超冷原子之間出現的奇異現象，特別是費米子--通常相互避開的粒子，如電子。

然而，在某些條件下，費米子可以發生強烈的相互作用並配對。在這種耦合狀態下，費米子可以以非常規的方式流動。在最新的實驗中，研究小組採用了費米子鋰-6 原子，將其困住並冷卻至納開爾文溫度。

1938年，物理學家拉斯洛-蒂薩（László Tisza）提出了超流體的雙流體模型--超流體實際上是某種正常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生兩種類型的聲音，即普通密度波和特殊溫度波，物理學家列夫-朗道後來將其命名爲"第二聲音"。

由於流體在某個臨界超冷溫度下會轉變爲超流體，麻省理工學院的研究小組推斷，這兩種流體的熱量傳輸方式也應該不同：在普通流體中，熱量應該像往常一樣散失，而在超流體中，熱量可以像波一樣移動，類似於聲音。

Zwierlein說："秒聲是超流性的標誌，但在超冷氣體中，迄今爲止你只能在密度漣漪的微弱反射中看到它，而熱浪的特徵以前一直無法證實"。

團隊試圖分離並觀察第二種聲音，即熱的波狀運動，與超流體中費米子的物理運動無關。爲此，他們開發了一種新的熱成像方法--一種熱映射技術。在傳統材料中，人們會使用紅外線傳感器對熱源進行成像。

但在超低溫下，氣體不會發出紅外線輻射。相反，研究小組利用射頻來"觀察"熱量如何在超流體中移動。他們發現，鋰-6費米子會根據不同的溫度產生不同的射頻共振：當雲的溫度較高，攜帶的正常液體較多時，共振頻率較高。雲中溫度較低的區域共振頻率較低。

研究人員使用較高的共振無線電頻率，促使液體中任何正常、"熱"的費米子響應響鈴。隨後，研究人員就能鎖定共振費米子，並隨着時間的推移追蹤它們，從而製作出"電影"，揭示熱的純粹運動--類似於聲波的來回晃動。

Zwierlein說："我們第一次可以在這種物質冷卻到超流體臨界溫度時對其進行拍照，並直接看到它是如何從熱平衡無聊的普通流體轉換到熱量來回滑動的超流體的。"

這些實驗標誌着科學家們首次能夠直接對超流體量子氣體中的秒聲和純熱運動進行成像。研究人員計劃擴展他們的工作，以更精確地繪製熱在其他超冷氣體中的行爲。研究成果可以推廣到預測熱量如何在其他強相互作用的材料中流動，比如在高溫超導體和中子星中，精確測量這些系統的導熱性，並希望瞭解和設計出更好的系統。

編譯來源：ScitechDaily