اولین تصاویر از گرما که در یک ابر سیال گرفته شده است

گرما طبق معمولً به‌گفتن چیزی درنظر گرفته‌ می‌بشود که پخش می‌بشود و از بین می‌رود. اما در برخی از حالت‌های شگفت و غریب ماده، می‌تواند همانند یک موج حرکت کند و همانند صدا به جلو و عقب بازتابد.

تجسم امواج گرما در یک ابر سیال

اتفاق 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 خواهند داد که چطور گرما می‌تواند همانند یک موج، جدا گانه از ماده فیزیکی حرکت کند. محققان از یک ابر سیال، حالتی از ماده که در آن اتم‌ها بدون اصطکاک در جریان می باشند، به‌گفتن وسیله‌ای برای تجسم صدای دوم منفعت گیری کردند. آنها دریافتند که گرما و ماده می‌توانند در روبه رو یکدیگر «آرام شوند» و نوساناتی همانند امواج صوتی تشکیل 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، امکان پذیر خود آب کاملاً آرام به‌نظر برسد، اما یک دفعه طرف فرد دیگر داغ می‌بشود. سپس طرف دیگر داغ می‌بشود و گرما به عقب و جلو می‌رود، در حالی که آب ساکن به‌نظر می‌رسد.»

این مطالعه که در Science انتشار شده است، می‌تواند به دانشمندان پشتیبانی کند تا چگونگی حرکت گرما در ابرسیال‌ها و دیگر مواد مرتبط همانند ابررساناها و ستاره‌های نوترونی را فهمیدن کنند. این مواد، خواص غیرمعمول و شگفت‌انگیزی همانند مقاومت صفر و رسانایی بی‌نهایت از خود نشان خواهند داد که می‌تواند فناوری‌ها و کاربردهای تازه را فعال کند.

صدا می‌تواند به ما در فهمیدن ابر سیال‌ها پشتیبانی کند

محققان از ابری از اتم‌های لیتیوم ۶ منفعت گیری کردند که فرمیون‌ می باشند، نوعی ذره که طبق معمولً 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 راه اندازی ابر سیال کردند. سپس از یک پرتو لیزر برای تشکیل یک نقطه داغ در ابر سیال و از یک پرتو لیزر دیگر برای تصویربرداری از امواج گرمایی حاصل منفعت گیری کردند.

آنها مشاهده کردند که امواج گرما به‌صورت متناوب، شبیه امواج صوتی، حرکت می‌کنند و با خارج از فاز امواج ماده می باشند. یعنی گرما و ماده در جهت ناموافق هم درحال نوسان می باشند. این نشانه صدای دوم است که از صدای معمولی نزدیک است، جایی که گرما و ماده باهم حرکت می‌کنند.

صدای دوم برای اولین بار توسط لازلو تیسا در سال ۱۹۳۸ پیش‌بینی شد. او مخلوطی از دو سیال را در نظر گرفت که باید دو نوع از موج صدا را تشکیل کند؛ امواج با چگالی معمولی و امواج دمایی شگفت.

از آنجایی که سیال در دمای بحرانی و فوق سرد به یک ابر سیال تبدیل می‌بشود، 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 طور موجی شبیه صدا حرکت کند.

تصویربرداری از گرما

زیرولین، از اعضای تیم MIT او گفت که برای اثبات ما نیاز به تصویربرداری داشتیم. در مواد معمولی، می‌توان از حسگرهای مادون قرمز برای تصویربرداری از منبع های گرما منفعت گیری کرد.

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

آنها دریافتند که فرمیون‌های لیتیوم-۶ بسته به دمایشان در فرکانس‌های رادیویی گوناگون طنین‌انداز خواهد شد. محققان فرکانس رادیویی با رزونانس بالاتری را به کار بردند، که علتمی‌بشود هر فرمیون معمولی و «گرم» در مایع، در جواب به صدا درآید.

بدین ترتیب آنها توانستند «فیلم‌هایی» بسازند که حرکت خالص گرما را مشخص می کند؛ حرکتی به جلو و عقب، همانند به امواج صوتی.

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