在近百年的搜索后物理学家首次捕捉"第二种声音"

By Ben Turner published 10 hours ago

Physics & Mathematics

于1938年被首次理论化，被称为 “第二声音 ”的热的波一樣流過超流体已經证明难來直接观测到的。现在，一种新技术终于做到了这一点并可被用于研究中子星和高温超导体。

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 艺术家的粒子在一個盒子内移动的描畫。(Image credit: Getty Images)

科学家们首次已經捕捉到像声音一样行爲热的直接图像--一种叫 “第二声音 ”的难以捉摸的现象。

在一种冷锂-6 原子的异域超流体状态内被一種新的热映射技术成像，這種現象显示热像波一样移动，像声音一样繞著它的容器反弹。

了解第二种声音移動方式可能幫助科学家预测在超密集中子星和高温超导体内热如何流动，而高温超导体是物理学的 “圣杯 ”之一，它的发展将使近乎无损耗的能量传输成爲可能。研究人员在《科学》杂志上发表了他们的发现。

研究报告的共同作者、麻省理工学院（MIT）物理学助理教授理查德-弗莱彻（Richard Fletcher）在一份声明中说，"这就好比你有一缸水並让其中一半几乎沸腾。如果你随后观察水本身可能看起来完全的平静，但突然另一边是热的然后另一边是热的，热来回流动，而水看起来完全的静止” 。

典型的热从一個局部源头扩散，跨一整个材料随它升高它的温度慢慢消散。

但叫超流体的异域材料不需要被这些规则玩。当费米子云（包括质子、中子和电子）被冷却到接近绝对零度时被創造，在超流体内部的原子配起对并无摩擦的旅行過整个材料。

因此，热以不同的方式流過材料：热不是像它典型的那样在流体内通過粒子的运动传播，而是熱像一個声波一样在超流体内来回向前向後。物理学家拉斯洛-蒂萨（László Tisza）于1938年首次预言了这种 “第二音”，但直到现在爲止热映射技术已經證明不能夠直接來观察到它。

该研究的资深作者、麻省理工学院物理学教授马丁-茨维尔莱因（Martin Zwierlein）在声明中说，"第二声是超流体的标志，但在超冷气体中迄今为止你只能在與密度一道走的漣漪的微弱反射中看到它。热的特征以前不能夠被证实"。

为捕捉第二种声音，研究人员不得不解决一個追踪超冷气体内热流动的頑固問题。这些气体是如此冷以致它們不会发出红外线辐射，而典型的热映射或热成像技术依赖于红外线辐射。

取而代之的是物理学家们开发了一种通过它们的共振频率來追踪费米子对的方法。随它們的温度变化，锂-6 原子共振在不同的无线电频率上，越暖和原子振动频率越高。

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通过應用對應到更暖和原子的共振无线电频率，科学家们使这些原子响应響鈴，使他們逐帧追踪粒子的流成爲可能。

茨维埃林说，"我们第一次能隨我們冷却它穿過超流体的临界温度拍照这种物质的圖片，并直接看到它如何从是一種普通流体在哪裏热无聊的平衡過渡到热来回晃動的超流体”。.

物理学家们说，他们的突破性技术将使他们能够更好研究宇宙的一些最极端天体的行为如中子星并测量高温超导体的导电性來做出更好的设计。

茨维埃林说，"我们的这团比空气更稀薄一百万倍的气体和在高温超导体中电子的行为和甚至超密集中子星中的中子之间有強的联系。现在，我们能探测我们系统的最原始的温度响应，这教我们關於难來理解甚至难來触及的东西”。

https://www.livescience.com/physics-mathematics/physicists-capture-second-sound-for-the-first-time-after-nearly-100-years-of-searching