Fizycy po raz pierwszy zarejestrowali przepływający dźwięk przez „doskonały” płyn

Po raz pierwszy fizycy zarejestrowali fale dźwiękowe poruszające się przez doskonały płyn o najniższej możliwej lepkości, na którą pozwalają prawa mechaniki kwantowej.

Te badania mogą pomóc nam zrozumieć niektóre z najbardziej ekstremalnych warunków we Wszechświecie – wnętrza ultragęstych gwiazd neutronowych i „zupę” plazmy kwarkowo-gluonowej, która wypełniła Wszechświat w latach tuż po Wielkim Wybuchu.

„Trudno jest słuchać gwiazdy neutronowej” – powiedział fizyk Martin Zwierlein z MIT.

„Ale teraz możesz naśladować to w laboratorium przy użyciu atomów, wstrząsnąć tą atomową zupą i posłuchać jej, i dowiedzieć się, jak zabrzmi gwiazda neutronowa”. ( Możesz posłuchać nagrania tutaj. )

Płyny obejmują szereg stanów materii. Większość ludzi prawdopodobnie myśli o nich jako o płynach, ale płyn to każda substancja, która jest nieściśliwa i dopasowuje się do kształtu swojego pojemnika: gazy i plazmy to także płyny.

Wszystkie trzy stany płynu – ciecz, gaz i plazma – doświadczają wewnętrznego tarcia między warstwami płynu, co powoduje lepkość lub gęstość. Na przykład miód jest bardzo lepki. Woda jest mniej lepka. W przechłodzonym ciekłym helu część płynu staje się nadciekiem o zerowej lepkości. Ale nadal niekoniecznie jest to doskonały płyn.

„Hel-3 jest gazem Fermiego, więc można by pomyśleć, że jest on zbliżony do sytuacji, w której się znajdujemy. Ale zamiast tego okazuje się, że hel-3 jest bardzo lepki, nawet gdy staje się nadciekły. Hel-3 jest praktycznie słabo oddziałującym Fermim i wykazuje bardzo dużą lepkość – nawet wtedy, gdy staje się nadciekły ”- powiedział Zwierlein.

„Lepkość nadciekłego helu-3 jest tysiąckrotnie większa niż granica kwantowa!”

Zgodnie z mechaniką kwantową doskonały płyn to taki, który ma najniższe możliwe tarcie i lepkość, co można opisać równaniami opartymi na masie średniej cząstki fermionowej, z której jest zbudowany, oraz na fundamentalnej stałej fizyki zwanej stałą Plancka .

A ponieważ lepkość płynu można zmierzyć sposobem, w jaki rozprasza się w nim dźwięk – jest to właściwość zwana dyfuzją dźwięku – zespół naukowców opracował eksperyment polegający na rozchodzeniu się fal dźwiękowych przez płyn złożony z cząstek fermionowych w celu określenia jego lepkości.

Fermiony to klasa cząstek, które zawierają elementy budulcowe atomów, takie jak elektrony i kwarki, a także cząstki zbudowane z fermionów, takich jak neutrony i protony, które składają się z trzech kwarków.

Fermiony podlegają kwantowej mechanice wykluczenia Pauliego, która mówi, że żadne dwie takie cząstki w układzie (jak atom) nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego. Oznacza to, że nie mogą zajmować tej samej przestrzeni co inne.

Schłodź kilka fermionów, takich jak 2 miliony atomów litu-6, do temperatury powyżej zera absolutnego i wciśnij je w klatkę laserów, a ich kwantowe rozmycie pozwoli im przechodzić przez fale, które prawie nie mają tarcia – idealny płyn.

Eksperyment musiał być tak zaprojektowany, aby zmaksymalizować liczbę zderzeń między fermionami, a lasery trzeba dostroić tak, aby fermiony odbijały się i zmieniały się w gaz. Gaz ten był utrzymywany w temperaturze od 50 do 500 nanoKelwinów ( -273,15 stopni Celsjusza lub -459,67 stopni Celsjusza).

„Musieliśmy zrobić płyn o jednakowej gęstości i dopiero wtedy mogliśmy “pukać” z jednej stronę, słuchać drugiej strony i uczyć się z niej” – powiedział Zwierlein . „Właściwie było dość trudno dostać się do miejsca, w którym mogliśmy wykorzystać dźwięk [wytworzony] w ten pozornie naturalny sposób”.

Aby „pukać” w bok pojemnika, zespół zmieniał natężenie światła na jednym końcu cylindrycznego pojemnika. To, w zależności od intensywności, wysyłało wibracje, takie jak różnego rodzaju fale dźwiękowe, przez gaz – trochę jak w technologii ultradźwiękowej.

To pozwoliło im znaleźć zmarszczki w gęstości płynu analogiczne do fali dźwiękowej. W szczególności poszukiwali rezonansów akustycznych – wzmocnienia fali dźwiękowej powstającej, gdy częstotliwość fali dźwiękowej odpowiada częstotliwości naturalnych wibracji.

„Jakość rezonansów mówi mi o lepkości płynu lub dyfuzyjności dźwięku” – powiedział Zwierlein . „Jeśli płyn ma niską lepkość, może wytworzyć bardzo silną falę dźwiękową i być bardzo głośny, jeśli będzie uderzany z odpowiednią częstotliwością. Jeśli jest to bardzo lepki płyn, nie ma dobrych rezonansów”.

Naukowcy odkryli bardzo wyraźne rezonanse w ich gazie, szczególnie przy niskich częstotliwościach. Na ich podstawie obliczyli dyfuzję dźwięku płynu. To była ta sama wartość, którą można było otrzymać z masy cząstek fermionowych i stałej Plancka – co wskazuje, że gaz litu-6 rzeczywiście zachowywał się jak doskonały płyn.

Ma to całkiem interesujące konsekwencje. Uważa się, że wnętrza wirujących gwiazd neutronowych, mimo że temperatura i gęstość są o wiele rzędów wielkości wyższe, są również doskonałymi płynami. Mają również wiele trybów oscylacji, w których fale dźwiękowe rozchodzą się przez gwiazdę.

Moglibyśmy wykorzystać płyny, takie jak gaz litu-6 zespołu, do zrozumienia dyfuzyjności gwiazd neutronowych, co z kolei może doprowadzić do lepszego zrozumienia ich wnętrz oraz sygnałów fal grawitacyjnych generowanych przez łączenie się gwiazd neutronowych.

Może też pomóc naukowcom lepiej zrozumieć nadprzewodnictwo, w którym elektrony mogą swobodnie przepływać przez materiały.

„Ta praca wiąże się bezpośrednio z odpornością materiałów” – mówi Zwierlein. „Zrozumienie, jaki jest najniższy opór gazu, jaki można mieć, mówi nam, co może się stać z elektronami w materiałach i jak można wytwarzać materiały, w których elektrony mogą przepływać w doskonały sposób. To ekscytujące”.

Badania zostały opublikowane w Science.

Źródło: Michelle Starr

For The First Time, Physicists Have Recorded The Flowing Sound of a ‘Perfect’ Fluid

Universal sound diffusion in a strongly interacting Fermi gas

Zdjęcie: Christine Daniloff, MIT

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x