Physiker erfassen erste Geräusche von „Schwappen“ von Wärme in einer Supraflüssigkeit und zeigen, wie sich Wärme wie eine Welle bewegen kann

In den meisten Materialien verteilt sich Wärme bevorzugt. Wenn ein Hotspot in Ruhe gelassen wird, verblasst er allmählich, da er seine Umgebung erwärmt. Aber in seltenen Materiezuständen kann sich Wärme wie eine Welle verhalten und sich hin und her bewegen, etwa wie eine Schallwelle, die von einem Ende eines Raumes zum anderen springt. Tatsächlich ist diese wellenförmige Hitze das, was Physiker „zweiter Schall“ nennen.

Anzeichen von Zweitgeräuschen wurden nur bei einer Handvoll Materialien beobachtet. Jetzt haben MIT-Physiker zum ersten Mal direkte Bilder des zweiten Schalls aufgenommen.

Die neuen Bilder zeigen, wie sich Wärme wie eine Welle bewegen und hin und her „schwappen“ kann, auch wenn sich die physische Materie eines Materials auf ganz andere Weise bewegen kann. Die Bilder erfassen die reine Wärmebewegung, unabhängig von den Partikeln eines Materials.

„Es ist, als ob man einen Tank mit Wasser hätte und eine Hälfte fast zum Kochen bringen würde“, bietet Assistenzprofessor Richard Fletcher einen Vergleich. „Wenn man dann zusieht, sieht das Wasser selbst vielleicht völlig ruhig aus, aber plötzlich ist die andere Seite heiß, und dann ist die andere Seite heiß, und die Hitze geht hin und her, während das Wasser völlig still aussieht.“

Unter der Leitung von Martin Zwierlein, dem Thomas-A-Frank-Professor für Physik, visualisierte das Team den zweiten Schall in einer Superflüssigkeit – einem besonderen Materiezustand, der entsteht, wenn eine Atomwolke auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt wird, woraufhin die Atome zu fließen beginnen wie eine völlig reibungsfreie Flüssigkeit. In diesem supraflüssigen Zustand haben Theoretiker vorhergesagt, dass Wärme ebenfalls wie eine Welle fließen sollte, obwohl Wissenschaftler das Phänomen bisher nicht direkt beobachten konnten.

Die neuen Ergebnisse, gemeldet im Tagebuch Wissenschaftwird Physikern dabei helfen, ein umfassenderes Bild davon zu erhalten, wie sich Wärme durch Supraflüssigkeiten und andere verwandte Materialien, einschließlich Supraleiter und Neutronensterne, bewegt.

„Es gibt starke Zusammenhänge zwischen unserer Gaswolke, die eine Million Mal dünner als Luft ist, und dem Verhalten von Elektronen in Hochtemperatur-Supraleitern und sogar Neutronen in ultradichten Neutronensternen“, sagt Zwierlein. „Jetzt können wir die Temperaturreaktion unseres Systems präzise untersuchen, was uns Aufschluss über Dinge gibt, die sehr schwer zu verstehen oder gar zu erreichen sind.“

Zwierleins und Fletchers Co-Autoren der Studie sind der Erstautor und ehemalige Physik-Doktorand Zhenjie Yan und die ehemaligen Physik-Doktoranden Parth Patel und Biswaroop Mikherjee sowie Chris Vale von der Swinburne University of Technology in Melbourne, Australien. Die MIT-Forscher sind Teil des MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA).

Super Klang

Wenn Atomwolken auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gebracht werden, können sie in seltene Materiezustände übergehen. Zwierleins Gruppe am MIT erforscht die exotischen Phänomene, die bei ultrakalten Atomen auftreten, insbesondere bei Fermionen – Teilchen wie Elektronen, die sich normalerweise aus dem Weg gehen.

Unter bestimmten Bedingungen können Fermionen jedoch dazu gebracht werden, stark zu interagieren und sich zu paaren. In diesem gekoppelten Zustand können Fermionen auf unkonventionelle Weise fließen. Für ihre neuesten Experimente verwendet das Team fermionische Lithium-6-Atome, die eingefangen und auf Nanokelvin-Temperaturen abgekühlt werden.

Im Jahr 1938 schlug der Physiker László Tisza ein Zwei-Flüssigkeits-Modell für die Supraflüssigkeit vor – dass eine Superflüssigkeit tatsächlich eine Mischung aus einer normalen, viskosen Flüssigkeit und einer reibungsfreien Superflüssigkeit ist. Diese Mischung aus zwei Flüssigkeiten sollte zwei Arten von Schall ermöglichen, gewöhnliche Dichtewellen und besondere Temperaturwellen, die der Physiker Lev Landau später „zweiter Schall“ nannte.

Da eine Flüssigkeit bei einer bestimmten kritischen, ultrakalten Temperatur in eine Superflüssigkeit übergeht, kam das MIT-Team zu dem Schluss, dass die beiden Arten von Flüssigkeiten auch Wärme unterschiedlich transportieren sollten: In normalen Flüssigkeiten sollte die Wärme wie üblich abgeführt werden, während sie sich in einer Superflüssigkeit wie üblich bewegen könnte eine Welle, ähnlich wie Schall.

„Der zweite Schall ist das Kennzeichen der Supraflüssigkeit, aber in ultrakalten Gasen konnte man ihn bisher nur in dieser schwachen Reflexion der damit einhergehenden Dichtewellen sehen“, sagt Zwierlein. „Der Charakter der Hitzewelle konnte bisher nicht nachgewiesen werden.“

Einschalten

Zwierlein und sein Team versuchten, den zweiten Schall, die wellenartige Bewegung der Wärme, unabhängig von der physikalischen Bewegung der Fermionen in ihrem Suprafluid zu isolieren und zu beobachten. Dazu entwickelten sie eine neue Methode der Thermografie – eine Wärmekartierungstechnik. Bei herkömmlichen Materialien würde man Infrarotsensoren verwenden, um Wärmequellen abzubilden.

Bei ultrakalten Temperaturen geben Gase jedoch keine Infrarotstrahlung ab. Stattdessen entwickelte das Team eine Methode, um mithilfe von Radiofrequenzen zu „sehen“, wie sich Wärme durch die Supraflüssigkeit bewegt. Sie fanden heraus, dass die Lithium-6-Fermionen abhängig von ihrer Temperatur bei unterschiedlichen Radiofrequenzen schwingen: Wenn die Wolke wärmere Temperaturen hat und mehr normale Flüssigkeit enthält, schwingt sie mit einer höheren Frequenz. Kältere Regionen in der Wolke schwingen mit einer niedrigeren Frequenz.

Die Forscher wendeten die höhere resonante Radiofrequenz an, was dazu führte, dass alle normalen, „heißen“ Fermionen in der Flüssigkeit als Reaktion darauf klingelten. Die Forscher konnten sich dann auf die resonierenden Fermionen konzentrieren und sie im Laufe der Zeit verfolgen, um „Filme“ zu erstellen, die die reine Bewegung der Wärme zeigten – ein Hin- und Herschwappen, ähnlich wie Schallwellen.

„Zum ersten Mal können wir diese Substanz fotografieren, während wir sie auf die kritische Temperatur der Supraflüssigkeit abkühlen, und direkt sehen, wie sie von einer normalen Flüssigkeit, in der sich die Wärme langweilig ausgleicht, in eine Supraflüssigkeit übergeht, in der Wärme hin und her schwappt.“ , sagt Zwierlein.

Die Experimente markieren das erste Mal, dass es Wissenschaftlern gelungen ist, einen zweiten Schall und die reine Wärmebewegung in einem supraflüssigen Quantengas direkt abzubilden.

Die Forscher planen, ihre Arbeit auszuweiten, um das Wärmeverhalten in anderen ultrakalten Gasen genauer abzubilden. Dann sagen sie, dass ihre Erkenntnisse ausgeweitet werden können, um vorherzusagen, wie Wärme in anderen stark wechselwirkenden Materialien fließt, beispielsweise in Hochtemperatur-Supraleitern und in Neutronensternen.

„Jetzt werden wir in der Lage sein, die Wärmeleitfähigkeit in diesen Systemen genau zu messen und hoffen, bessere Systeme zu verstehen und zu entwerfen“, schließt Zwierlein.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.