Nella maggior parte dei materiali, il calore preferisce disperdersi. Se lasciato da solo, un hotspot svanirà gradualmente mentre riscalda l’ambiente circostante. Ma in rari stati della materia, il calore può comportarsi come un’onda, muovendosi avanti e indietro un po’ come un’onda sonora che rimbalza da un’estremità all’altra di una stanza. In effetti, questo calore ondulatorio è ciò che i fisici chiamano "secondo suono".
Segni di secondo suono sono stati osservati solo in una manciata di materiali. Ora i fisici del MIT hanno catturato per la prima volta immagini dirette del secondo suono.
Le nuove immagini rivelano come il calore può muoversi come un'onda e "scivolare" avanti e indietro, anche se la materia fisica di un materiale può muoversi in un modo completamente diverso. Le immagini catturano il puro movimento del calore, indipendente dalle particelle di un materiale.
"È come se avessi un serbatoio d'acqua e ne facessi metà quasi bollente", offre come analogia il professore assistente Richard Fletcher. "Se poi guardassi, l'acqua stessa potrebbe sembrare completamente calma, ma all'improvviso l'altro lato è caldo, e poi l'altro lato è caldo, e il calore va avanti e indietro, mentre l'acqua sembra completamente ferma."
Guidato da Martin Zwierlein, professore di fisica Thomas A Frank, il team ha visualizzato il secondo suono in un superfluido, uno stato speciale della materia che si crea quando una nuvola di atomi viene raffreddata a temperature estremamente basse, a quel punto gli atomi iniziano a fluire come un fluido completamente privo di attrito. In questo stato superfluido, i teorici hanno previsto che anche il calore dovrebbe fluire come un'onda, sebbene fino ad ora gli scienziati non fossero stati in grado di osservare direttamente il fenomeno.
I nuovi risultati, riportati sulla rivista Science , aiuterà i fisici a ottenere un quadro più completo di come il calore si muove attraverso i superfluidi e altri materiali correlati, inclusi i superconduttori e le stelle di neutroni.
"Esistono forti connessioni tra il nostro soffio di gas, che è un milione di volte più sottile dell'aria, e il comportamento degli elettroni nei superconduttori ad alta temperatura e persino dei neutroni nelle stelle di neutroni ultradense", afferma Zwierlein. "Ora possiamo sondare in modo preciso la risposta termica del nostro sistema, che ci insegna cose che sono molto difficili da comprendere o addirittura raggiungere."
I coautori dello studio di Zwierlein e Fletcher sono il primo autore ed ex studente laureato in fisica Zhenjie Yan e gli ex studenti laureati in fisica Parth Patel e Biswaroop Mikherjee, insieme a Chris Vale della Swinburne University of Technology di Melbourne, in Australia. I ricercatori del MIT fanno parte del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA).
Quando le nubi di atomi vengono portate a temperature prossime allo zero assoluto, possono passare a stati rari della materia. Il gruppo di Zwierlein al MIT sta esplorando i fenomeni esotici che emergono tra gli atomi ultrafreddi, e in particolare tra i fermioni, particelle, come gli elettroni, che normalmente si evitano a vicenda.
In determinate condizioni, tuttavia, è possibile far sì che i fermioni interagiscano fortemente e si accoppiano. In questo stato accoppiato, i fermioni possono fluire in modi non convenzionali. Per i suoi ultimi esperimenti, il team utilizza atomi fermionici di litio-6, che vengono intrappolati e raffreddati a temperature di nanokelvin.
Nel 1938, il fisico László Tisza propose un modello a due fluidi per la superfluidità:un superfluido è in realtà una miscela di un fluido normale e viscoso e un superfluido privo di attrito. Questa miscela di due fluidi dovrebbe consentire due tipi di suono, onde di densità ordinarie e onde di temperatura peculiari, che il fisico Lev Landau in seguito chiamò "secondo suono".
Poiché un fluido passa a un superfluido a una certa temperatura critica, ultrafredda, il team del MIT ha pensato che i due tipi di fluido dovrebbero anche trasportare il calore in modo diverso:nei fluidi normali, il calore dovrebbe dissiparsi come al solito, mentre in un superfluido potrebbe muoversi come un'onda, simile al suono.
"Il secondo suono è il segno distintivo della superfluidità, ma finora nei gas ultrafreddi è stato possibile vederlo solo in questo debole riflesso delle increspature di densità che lo accompagnano", dice Zwierlein. "La natura dell'ondata di caldo non poteva essere dimostrata prima."
Zwierlein e il suo team hanno cercato di isolare e osservare il secondo suono, il movimento ondulatorio del calore, indipendente dal movimento fisico dei fermioni nel loro superfluido. Lo hanno fatto sviluppando un nuovo metodo di termografia, una tecnica di mappatura del calore. Nei materiali convenzionali si utilizzerebbero sensori a infrarossi per visualizzare le fonti di calore.
Ma a temperature ultrafredde, i gas non emettono radiazioni infrarosse. Invece, il team ha sviluppato un metodo per utilizzare la radiofrequenza per “vedere” come il calore si muove attraverso il superfluido. Hanno scoperto che i fermioni del litio-6 risuonano a frequenze radio diverse a seconda della loro temperatura:quando la nuvola è a temperature più calde e trasporta più liquido normale, risuona a una frequenza più elevata. Le regioni della nuvola più fredde risuonano a una frequenza più bassa.
I ricercatori hanno applicato la radiofrequenza di risonanza più elevata, che ha spinto tutti i fermioni normali e "caldi" nel liquido a suonare in risposta. I ricercatori sono stati quindi in grado di concentrarsi sui fermioni in risonanza e di seguirli nel tempo per creare "film" che rivelavano il puro movimento del calore:un movimento avanti e indietro, simile alle onde sonore.
"Per la prima volta, possiamo fotografare questa sostanza mentre la raffreddiamo attraverso la temperatura critica della superfluidità, e vedere direttamente come passa dall'essere un fluido normale, dove il calore si equilibra noiosamente, a un superfluido dove il calore si muove avanti e indietro. ," dice Zwierlein.
Gli esperimenti segnano la prima volta che gli scienziati sono riusciti a immaginare direttamente il secondo suono e il puro movimento del calore in un gas quantistico superfluido.
I ricercatori intendono estendere il loro lavoro per mappare più precisamente il comportamento del calore in altri gas ultrafreddi. Quindi, dicono che le loro scoperte possono essere ampliate per prevedere come fluisce il calore in altri materiali fortemente interagenti, come nei superconduttori ad alta temperatura e nelle stelle di neutroni.
"Ora saremo in grado di misurare con precisione la conduttività termica in questi sistemi e speriamo di comprendere e progettare sistemi migliori", conclude Zwierlein.
Ulteriori informazioni: Zhenjie Yan et al, Termografia della transizione superfluida in un gas di Fermi fortemente interagente, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adg3430. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3430
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
