物理学家首次捕捉到超流体中热量“晃动”的声音，揭示了热量如何像波一样移动

在大多数物质中，热量倾向于分散。如果不加理会，热点会随着周围环境变暖而逐渐消退。但在极少数物质状态下，热量可以表现为波，来回移动，有点像声波从房间的一端反射到另一端。事实上，这种波状热量就是物理学家所说的“第二声音”。

仅在少数材料中观察到了第二声的迹象。现在麻省理工学院的物理学家首次捕捉到了第二声的直接图像。

新图像揭示了热量如何像波一样移动，并来回“晃动”，即使物质的物理物质可能以完全不同的方式移动。这些图像捕捉到了热量的纯粹运动，与物质的粒子无关。

“这就像你有一箱水，其中一半几乎沸腾，”助理教授理查德·弗莱彻打了个比方。“如果你观察的话，你会发现水本身可能看起来非常平静，但突然间另一边就热了，然后另一边也热了，热量来回变化，而水看起来却完全静止。”

在托马斯·弗兰克物理学教授马丁·茨维莱因的带领下，该团队可视化了超流体中的第二声子——超流体是一种特殊的物质状态，当原子云被冷却到极低的温度时就会产生这种状态。，此时原子开始像完全无摩擦的流体一样流动。在这种超流体状态下，理论家预测热量也应该像波一样流动，尽管科学家直到现在才能够直接观察到这种现象。

新结果，已报告在期刊上科学，将帮助物理学家更全面地了解热量如何通过超流体和其他相关材料，包括超导体和。

“有在我们比空气稀薄一百万倍的气体和电子的行为之间，甚至是超高密度中子星中的中子，”Zwierlein 说。“现在我们可以精确地探测系统的温度响应，这让我们了解到一些很难理解甚至难以触及的事情。”

Zwierlein 和 Fletcher 的研究合著者包括第一作者、前物理学研究生 Zhenjie Yan、前物理学研究生 Parth Patel 和 Biswaroop Mikherjee，以及澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的 Chris Vale。麻省理工学院的研究人员是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心 (CUA) 的成员。

超级声音

当原子云的温度降至接近绝对零度时，它们可以转变为稀有物质状态。麻省理工学院的 Zwierlein 团队正在探索在，特别是费米子——通常互相避开的粒子，例如电子。

然而，在某些条件下，费米子可以发生强烈相互作用并配对。在这种耦合状态下，费米子可以以非常规方式流动。在最新的实验中，该团队采用了费米子锂-6原子，这些原子被捕获并冷却至纳开尔文温度。

1938 年，物理学家拉斯洛·蒂萨 (László Tisza) 提出了一种超流体双流体模型，即超流体实际上是某种正常粘性流体与无摩擦超流体的混合物。这种两种流体的混合物可以产生两种声音，即普通密度波和特殊温度波，物理学家列夫·兰道 (Lev Landau) 后来将其命名为“第二声音”。

由于流体在某个临界超冷温度下会转变为超流体，麻省理工学院的研究小组推断，这两种流体的热量传输方式也应该不同：在正常流体中，热量应该像往常一样消散，而在超流体中，热量可以像波一样移动，类似于声音。

“第二声子是超流体的标志，但迄今为止，在超冷气体中，你只能在伴随它的密度波纹的微弱反射中看到它，”Zwierlein 说。“热浪的特性以前无法证实。”

关注

Zwierlein 和他的团队试图分离和观察第二种声音，即热的波状运动，不受超流体中费米子的物理运动的影响。他们通过开发一种新的热成像方法（一种热图技术）实现了这一目标。在传统材料中，人们会使用红外传感器来对热源进行成像。

但在超低温下，气体不会发出红外辐射。相反，该团队开发了一种使用射频来“观察”热量如何通过超流体的方法。他们发现，锂-6 费米子会根据其温度以不同的射频共振：当云层温度较高且携带更多正常液体时，它会以更高的频率共振。云层中较冷的区域会以较低的频率共振。

研究人员采用了更高的共振，这促使液体中任何正常的“热”费米子响应而响起。然后，研究人员能够集中精力研究共振费米子，并随着时间的推移跟踪它们，从而制作出“电影”，揭示热量的纯运动——来回晃动，类似于声波。

“这是我们首次能够在将这种物质冷却到超流体的临界温度时对其进行拍照，并直接看到它如何从一种热量平衡的正常流体转变为一种热量来回晃动的超流体，”Zwierlein 说。

这项实验标志着科学家首次能够直接成像以及热的纯运动量子气体。

研究人员计划进一步研究，更精确地描绘其他超冷气体中的热量行为。然后，他们表示，他们的研究成果可以扩大规模，预测其他强相互作用材料中的热量如何流动，例如高温超导体和中子星。

“现在我们将能够精确测量这些系统中的热导率，并希望理解和设计更好的系统，”Zwierlein 总结道。

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