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2024-02-08 19:00:00
ほとんどの材料では、熱は散乱することを好みます。 ホットスポットは放っておくと周囲が暖まるにつれて徐々に消えていきます。 しかし、物質のまれな状態では、熱が波のように振る舞い、部屋の一方の端からもう一方の端まで跳ね返る音波のように前後に移動することがあります。 実際、この波のような熱を物理学者は「第二の音」と呼んでいます。
第二音の兆候が観察されたのはほんの一握りの物質だけです。 今回、MIT の物理学者は、初めて第 2 音の直接画像を捕捉しました。
新しい画像は、物質の物理的物質がまったく異なる方法で移動する場合でも、熱がどのように波のように移動し、前後に「バタバタ」移動するかを明らかにします。 画像は、材料の粒子とは関係なく、純粋な熱の動きを捉えています。
リチャード・フレッチャー助教授は、「水の入ったタンクがあって、半分が沸騰寸前になっているようなものです」と例え話で述べています。 「その後見ていると、水自体は完全に穏やかに見えるかもしれませんが、突然反対側が熱くなり、次に反対側が熱くなり、熱が行ったり来たりする一方で、水は完全に静止しているように見えます。」
トーマス・A・フランク物理学教授のマーティン・ツヴィアラインが率いるこのチームは、超流動体（原子の雲が極低温に冷却され、その時点で原子が流れ始めるときに生成される物質の特殊な状態）における第二の音を視覚化した。完全に摩擦のない流体のようなものです。 この超流動状態では、熱も波のように流れるはずだと理論家は予測していましたが、科学者たちはこれまでこの現象を直接観察することができませんでした。
シンプルなアニメーションで表現された最初の音は、通常の流体と超流体が一緒に振動する密度波の形をした通常の音です。
2 番目の音は熱の動きで、密度は一定のまま、超流体と通常の流体が互いに「はねる」音です。
画像: 研究者提供
本日のジャーナルで報告された新しい結果 科学は、物理学者が超流体や超伝導体や中性子星などの関連物質中を熱がどのように移動するのかをより完全に把握するのに役立ちます。
「空気よりも100万倍薄いガスの噴出と、高温超伝導体の電子の挙動、さらには超高密度中性子星の中性子の挙動との間には強いつながりがある」とツヴィアライン氏は言う。 「今では、私たちのシステムの温度応答を正確に調査できるようになり、理解することや到達することさえ非常に困難なことについて教えてくれるのです。」
ツヴィアライン氏とフレッチャー氏の研究の共著者は、オーストラリアのメルボルンにあるスウィンバーン工科大学の筆頭著者で元物理学大学院生のジェンジエ・ヤン氏、元物理学大学院生のパース・パテル氏とビスワループ・ミケルジー氏、そしてクリス・ヴェイル氏である。 MIT の研究者は、MIT-ハーバード超低温原子センター (CUA) の一員です。
スーパーサウンド
原子雲が絶対零度に近い温度まで下げられると、物質のまれな状態に遷移することがあります。 MITのツヴィアライン氏のグループは、極低温の原子、特にフェルミオン（通常は互いに避ける電子などの粒子）の間で現れるエキゾチックな現象を研究している。
ただし、特定の条件下では、フェルミ粒子が強く相互作用し、対になることがあります。 この結合状態では、フェルミオンは従来とは異なる方法で流れる可能性があります。 最新の実験では、研究チームはフェルミオン性のリチウム 6 原子を使用し、これをトラップしてナノケルビン温度まで冷却した。
1938 年、物理学者ラスロー ティッサは、超流動の 2 流体モデルを提案しました。超流動は、実際には、通常の粘性流体と摩擦のない超流体の混合物であるというものです。 この 2 つの流体の混合により、通常の密度波と特殊な温度波という 2 種類の音を発生させることができ、物理学者レフ ランドーは後にこれを「第 2 の音」と名付けました。
流体は特定の臨界超低温で超流体に転移するため、MIT チームは、2 種類の流体は熱の輸送方法も異なるはずであると推論しました。通常の流体では、熱は通常どおり放散されるはずですが、超流体では、熱は次のように移動する可能性があります。音と同じように波。
「第二音は超流動性の特徴ですが、これまで極低温の気体では、それに伴う密度の波紋のかすかな反射でしかそれを見ることができませんでした」とツヴィアライン氏は言う。 「熱波の性質はこれまで証明できませんでした。」
チューニングする
ツヴィアラインと彼のチームは、超流動体中のフェルミ粒子の物理的な運動とは無関係に、第二の音、つまり波状の熱の動きを分離して観察しようとしました。 彼らは、サーモグラフィーの新しい方法、つまりヒート マッピング技術を開発することでこれを実現しました。 従来の材料では、赤外線センサーを使用して熱源を画像化します。
しかし、超低温では、ガスは赤外線を放射しません。 代わりに、チームは高周波を使用して、熱が超流体中をどのように移動するかを「確認」する方法を開発しました。 彼らは、リチウム 6 フェルミ粒子が温度に応じて異なる無線周波数で共鳴することを発見しました。雲の温度が高く、より多くの標準液体を運ぶと、より高い周波数で共鳴します。 雲内の温度が低い領域は、より低い周波数で共鳴します。
研究者らはより高い共鳴無線周波数を適用し、液体中の通常の「熱い」フェルミオンが反応して鳴るように促した。 その後、研究者らは共鳴するフェルミオンに焦点を当て、時間をかけて追跡し、熱の純粋な動き、つまり音の波に似た前後の揺れを明らかにする「映画」を作成することができた。
「初めて、この物質を超流動の臨界温度まで冷却しながら写真を撮ることができ、熱が退屈に平衡する通常の流体から、熱が前後に揺れる超流動体にどのように遷移するかを直接見ることができます。 」とツヴィアラインは言う。
この実験は、科学者たちが第二の音と、超流動量子気体中の純粋な熱の動きを直接画像化することができたのは初めてのことである。 研究者らは、研究を拡張して、他の超低温ガスにおける熱の挙動をより正確にマッピングすることを計画している。 そして、研究結果は、高温超伝導体や中性子星など、他の強く相互作用する物質内で熱がどのように流れるかを予測するためにスケールアップできると彼らは述べている。
「今後、これらのシステムの熱伝導率を正確に測定できるようになり、より良いシステムを理解し、設計できるようになることを期待しています」とツヴィアライン氏は結論づけています。
この研究は、国立科学財団 (NSF)、空軍科学研究局、およびヴァネバー ブッシュ教員フェローシップによって支援されました。 MIT チームは、MIT ハーバード超低温原子センター (NSF 物理フロンティア センター) の一部であり、MIT 物理学科および電子研究所 (RLE) と提携しています。
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