Суперфлюиды – это экзотическое состояние материи с удивительными свойствами. Когда некоторые материалы охлаждаются до чрезвычайно низких температур, близких к абсолютному нулю, их атомы переходят в квантовое состояние, в котором они могут течь без трения или вязкости. Это позволяет сверхтекучим жидкостям демонстрировать поведение, не похожее ни на одно другое известное вещество.

Одним из таких замечательных свойств, предсказанных более 75 лет назад, но никогда не наблюдавшихся напрямую, является второй звук – способность тепла распространяться через сверхтекучую жидкость в виде температурной волны. Группа физиков из Массачусетского технологического института получила первые изображения, демонстрирующие второй звук в действии, используя ультрахолодный литиевый газ.

Обычные материалы проводят тепло диффузно, когда горячие области распространяются и рассеиваются в более холодных. Но в сверхтекучих и некоторых других экзотических материалах тепло может колебаться туда-сюда без сопротивления. В 1940-х годах было выдвинуто предположение, что это своеобразное поведение проявляется в виде второго звука – волнообразной передачи тепловой энергии. <Это похоже на то, как если бы у вас был резервуар с водой и вы довели одну половину воды почти до кипения”, – объясняет доцент Массачусетского технологического института Ричард Флетчер. “Если бы вы наблюдали за этим, то вода выглядела бы совершенно спокойной, но вдруг другая сторона стала горячей, а затем другая сторона стала горячей, и тепло переходит туда-сюда, в то время как вода выглядит совершенно неподвижной”.

Непосредственное наблюдение за вторыми звуковыми волнами оказалось чрезвычайно сложным. Сверхтекучие жидкости не обладают инфракрасным излучением, по которому можно было бы отследить поток тепла. Команда Массачусетского технологического института обошла эту проблему, используя фермионы лития-6, которые резонируют на разных частотах в зависимости от их температуры. Это позволило им визуализировать колеблющиеся фермионы, обнаружив тепло, распространяющееся в волнообразной форме, характерной для второго звука. <Впервые мы можем сфотографировать это вещество, когда охлаждаем его до критической температуры сверхтекучести, – говорит профессор Мартин Цвирляйн, – и непосредственно увидеть, как оно переходит от обычной жидкости, в которой тепло скучно уравновешивается, к сверхтекучей, в которой тепло скользит туда-сюда”

.

Странный мир сверхтекучих жидкостей

Сверхтекучесть была впервые открыта в 1937 году Петром Капицей и Джоном Алленом, которые обнаружили, что жидкий гелий-4 при температуре ниже 2,17 К (-270,98°C) внезапно теряет всякую вязкость, позволяя ему течь без сопротивления ^[1]. Это позволяет наблюдать такие впечатляющие явления, как ползущий по стенам и вытекающий из контейнеров гелий.

<Ключ к сверхтекучести лежит в квантовых эффектах. При достаточно низких температурах движения атомов гелия становятся коррелированными, и они конденсируются в единое квантовое состояние. Это позволяет им течь без трения, так как отдельные частицы не рассеиваются друг от друга.

Помимо отсутствия вязкости, сверхтекучие жидкости демонстрируют и другие экзотические свойства. Они обладают нулевой энтропией, бесконечной теплопроводностью и квантованными вихрями. Сверхтекучий гелий также может “ползти” вверх по стенам, бросая вызов гравитации благодаря эффектам, подобным пленке Роллина, когда жидкость поднимается вертикально вдоль поверхности ^[2].

Понимание сверхтекучести оказалось жизненно важным для таких областей, как физика конденсированных сред и даже астрономия. Ожидается, что внутри нейтронных звезд содержатся сверхтекучие нейтроны и сверхпроводящие протоны, что может объяснить такие явления, как сбои в пульсарах ^[3].

Секундный звук – новая форма теплопроводности

В обычных материалах теплопроводность происходит путем диффузии. Горячие области передают кинетическую энергию соседним более холодным областям через столкновения частиц и вибрации, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Но в сверхтекучих жидкостях и некоторых других экзотических средах тепло может распространяться в виде температурной волны, называемой вторым звуком.

Секундный звук был впервые предсказан в 1944 году Львом Ландау, который предположил, что из-за нулевой вязкости сверхтекучей жидкости тепло не будет распространяться диффузно, а будет колебаться в виде волны ^[4]. Это приведет к локальным колебаниям температуры, подобно тому, как звук создает колебания давления при движении по воздуху.

Доказательства существования второго звука появились в 1950-х годах благодаря экспериментам со сверхтекучим гелием. Исследователи, в том числе Ричард Паккард, заметили, что при нагревании одного конца сверхтекучей жидкости возникает тепловая волна, идущая к дальнему концу, что свидетельствует о втором звуке ^[5]. Но, несмотря на десятилетия работы, второй звук оказалось трудно непосредственно визуализировать.

Команда Массачусетского технологического института получила первые прямые изображения второго звука

В новом исследовании Массачусетского технологического института удалось получить изображение волн второго звука с помощью сверххолодного газа атомов лития-6, охлажденного почти до абсолютного нуля. При таких температурах литий переходит в сверхтекучее состояние, аналогичное гелию.

Команда применила локальный нагрев сверхтекучего газа лития и проследила за возникающими тепловыми колебаниями. Для этого они использовали тот факт, что фермионы лития-6 резонируют на частотах, зависящих от их температуры. Получив изображение резонирующих фермионов во всей сверхтекучей жидкости, они впервые визуализировали вторые звуковые волны в действии. <Впервые мы можем сфотографировать это вещество, когда охлаждаем его до критической температуры сверхтекучести, – говорит профессор Цвирляйн, – и непосредственно увидеть, как оно переходит от обычной жидкости, в которой тепло скучно уравновешивается, к сверхтекучей, в которой тепло скользит туда-сюда”

.

Исследователи обнаружили, что вторые звуковые волны распространяются со скоростью около 1,5 метра в секунду. Изображения также показали постепенное появление второго звука при охлаждении до температуры перехода в сверхтекучее состояние.

В дальнейшем команда планирует продолжить картирование тепловых потоков в сверххолодных сверхтекучих жидкостях. Разработанные ими экспериментальные методики могут быть применены и к другим экзотическим состояниям материи, в которых, согласно предсказаниям, может наблюдаться второй звук, например, к корам нейтронных звезд и, возможно, к другим формам квантовой материи.

Новые результаты открывают множество направлений для исследований переноса тепла вдали от равновесия. Помимо углубления нашего понимания сверхтекучести, второй звук может потенциально привести к созданию таких приложений, как тепловые диоды или логические устройства, использующие уникальные свойства тепловых волн в этих материалах. Последствия этого открытия обширны, оно открывает новый взгляд на термодинамику в физике низких температур.

Ссылки

1. Капица, П. Вязкость жидкого гелия ниже λ-точки. Nature 141, 74 (1938).
2. Роллин, Б. и Ошерофф, Д. Д. О (де)стабилизации пленки жидкого гелия, ползущей по плоской поверхности. Журнал физики низких температур 110, 191-206 (1998).
3. Chamel, N. & Haensel, P. Physics of Neutron Star Crusts. Living Reviews in Relativity 11, 10 (2008).
4. Ландау, Л. Теория сверхтекучести гелия II. Physical Review 60, 356-358 (1941).
5. Пешков, В. В.
6. Пешков, В. П. Второй звук в гелии II. Ж. физ. СССР 10, 389-394 (1946).
7. Пешков, В. П. Второй звук в гелии II.