麻省理工学院物理学家首次捕捉到超流体"第二声音"的直接图像

麻省理工学院的物理学家首次捕捉到了"第二声音"的直接图像，即在超流体中来回晃动的热量运动。这些成果将拓展科学家对超导体和中子星中热流的理解。资料来源：Jose-Luis Olivares，麻省理工学院

麻省理工学院的秒声可视化技术为理解超流体中热量的波状行为及其对各种物质状态的影响开辟了新的道路，拓展了科学家对超导体和中子星中热流的理解。

新图像揭示了热量如何像波浪一样来回"晃动"，即使材料的物理物质可能以完全不同的方式运动。这些图像捕捉到了热量的纯粹运动，与材料的粒子无关。

"这就好比你有一缸水，让其中一半几乎沸腾，"助理教授理查德-弗莱彻打了个比方。"如果你接着观察，水本身可能看起来完全平静，但突然另一边热了，然后另一边又热了，热量来回流动，而水看起来完全静止。"

在托马斯-弗兰克物理学教授马丁-茨维尔莱因（Martin Zwierlein）的领导下，研究小组将超流体中的秒声进行了可视化。超流体是一种特殊的物质状态，当一团原子被冷却到极低的温度时就会产生超流体，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，理论家们预测热量也应该像波浪一样流动，不过科学家们直到现在才能够直接观察到这种现象。

简单动画中描述的第一种声音是密度波形式的普通声音，其中正常流体和超流体一起振荡。图片来源：研究人员提供

第二种声音是热量的运动，超流体和普通流体相互"撞击"，同时保持密度不变。图片来源：研究人员提供

最近在《科学》杂志上发表的这项新成果将帮助物理学家更全面地了解热量是如何在超流体和其他相关材料（包括超导体和中子星）中流动的。

"我们这团比空气稀薄一百万倍的气体与高温超导体中电子的行为，甚至是超密集中子星中的中子的行为之间存在着紧密的联系，"Zwierlein 说。"现在，我们可以纯粹地探测我们系统的温度响应，这让我们了解到一些很难理解甚至很难触及的东西。"

Zwierlein和Fletcher在这项研究中的合作作者包括第一作者、前物理学研究生颜振杰、前物理学研究生Parth Patel和Biswaroop Mukherjee，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。

当原子云被降到接近绝对零度的温度时，它们会转变为罕见的物质状态。Zwierlein 在麻省理工学院的研究小组正在探索超冷原子之间出现的奇异现象，特别是费米子--通常相互避开的粒子，如电子。

然而，在某些条件下，费米子可以发生强烈的相互作用并配对。在这种耦合状态下，费米子可以以非常规的方式流动。在最新的实验中，研究小组采用了费米子锂-6 原子，将其困住并冷却至纳开尔文温度。

1938年，物理学家拉斯洛-蒂萨（László Tisza）提出了超流体的双流体模型--超流体实际上是某种正常粘性流体和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类型的声音，即普通密度波和特殊温度波，物理学家列夫-朗道后来将其命名为"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：在普通流体中，热量应该像往常一样散失，而在超流体中，热量可以像波一样移动，类似于声音。

Zwierlein说："秒声是超流性的标志，但在超冷气体中，迄今为止你只能在密度涟漪的微弱反射中看到它，而热浪的特征以前一直无法证实"。

团队试图分离并观察第二种声音，即热的波状运动，与超流体中费米子的物理运动无关。为此，他们开发了一种新的热成像方法--一种热映射技术。在传统材料中，人们会使用红外线传感器对热源进行成像。

但在超低温下，气体不会发出红外线辐射。相反，研究小组利用射频来"观察"热量如何在超流体中移动。他们发现，锂-6费米子会根据不同的温度产生不同的射频共振：当云的温度较高，携带的正常液体较多时，共振频率较高。云中温度较低的区域共振频率较低。

研究人员使用较高的共振无线电频率，促使液体中任何正常、"热"的费米子响应响铃。随后，研究人员就能锁定共振费米子，并随着时间的推移追踪它们，从而制作出"电影"，揭示热的纯粹运动--类似于声波的来回晃动。

Zwierlein说："我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍照，并直接看到它是如何从热平衡无聊的普通流体转换到热量来回滑动的超流体的。"

这些实验标志着科学家们首次能够直接对超流体量子气体中的秒声和纯热运动进行成像。研究人员计划扩展他们的工作，以更精确地绘制热在其他超冷气体中的行为。研究成果可以推广到预测热量如何在其他强相互作用的材料中流动，比如在高温超导体和中子星中，精确测量这些系统的导热性，并希望了解和设计出更好的系统。

编译来源：ScitechDaily