W przełomowym eksperymencie naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) po raz pierwszy bezpośrednio zobrazowali niezwykle rzadki sposób przepływu ciepła, znany właśnie jako „drugi dźwięk”. Od dziesięcioleci naukowcy starali się zweryfikować istnienie tego zjawiska opisanego przez węgierskiego fizyka László Tiszę już w 1938 roku. Wszystkie dotychczasowe próby spełzły jednak na niczym.
Drugi dźwięk to sposób transportu ciepła, w którym – zamiast klasycznego rozpraszania się – ciepło przemieszcza się w formie fali, dokładnie tak jak dźwięk w powietrzu. Zjawisko to zachodzi wyłącznie w bardzo specyficznych warunkach, m.in. w nadcieczach, czyli w egzotycznych stanach materii występujących w temperaturach bliskich zeru absolutnemu.
Czytaj także: To sprzeczne z intuicją. W tych warunkach ciepło nie ogrzewa, a odbija się od materiału
Oczywiście w codziennym świecie ciepło rozchodzi się poprzez dyfuzję – powoli i stopniowo rozprzestrzeniając się od źródła w całej objętości cieczy. W nadcieczach jednak zachowuje się zupełnie inaczej: oscyluje i odbija się niczym fale dźwiękowe, tworząc efekt przypominający pulsowanie energii. Mimo że samą nadciekłość odkryto już w latach 30. XX wieku, dopiero teraz naukowcom udało się uchwycić sposób, w jaki rozchodzi się po nim ciepło.
Aby tego dokonać, badacze stworzyli nadciecz złożoną z ultrazimnych atomów litu-6. W ekstremalnym chłodzie atomy te tworzą pary i zaczynają poruszać się bez oporu – tworząc idealne warunki do obserwacji drugiego dźwięku.
Największym wyzwaniem jednak okazał się sam pomiar. Wszystkie tradycyjne kamery termowizyjne w takim przypadku są bezużyteczne. Przy temperaturach bliskich zeru absolutnemu ultrazimny gaz nie emituje promieniowania podczerwonego, które takie kamery mogłyby obserwować. Naukowcy z MIT opracowali więc nowatorską metodę opartą na częstotliwościach rezonansowych. Wraz ze zmianą temperatury zmieniają się także rezonansowe częstotliwości atomów – cieplejsze atomy „wibrują” szybciej. Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu instrumentów naukowcy mogli dosłownie „usłyszeć” cieplejsze atomy i śledzić ich ruch przez nadciecz w czasie rzeczywistym.
Efekt takiego podejścia okazał się fenomenalny. Po raz pierwszy w historii naukowcy zaobserwowali przemieszczanie się fal ciepła w objętości nadcieczy. Po podgrzaniu jednej strony chmury atomowej badacze zaobserwowali, jak energia cieplna zaczęła przemieszczać się tam i z powrotem, choć same atomy niemal się nie poruszały.
Ten rytmiczny przepływ ciepła to właśnie drugi dźwięk, zjawisko, które znaliśmy dotąd jedynie z teorii.
Odkrycie opisane już w artykule opublikowanym na łamach periodyku Science, może mieć daleko idące konsekwencje. Zasady rządzące przepływem ciepła w nadcieczy mogą pomóc lepiej zrozumieć ekstremalne warunki panujące np. we wnętrzach gwiazd neutronowych, gdzie materia znajduje się pod gigantycznym ciśnieniem i charakteryzuje się ekstremalną gęstością. Mało tego, efekty pracy badaczy z MIT mogą także przyczynić się do postępu w badaniach nad nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi – materiałami, które przewodzą prąd niemal bez strat energii, a których usprawnienie może zrewolucjonizować systemy energetyczne przyszłości.
Czytaj także: Technologia inspirowana kwantami zamieni ciepło w elektryczność ze spektakularną wydajnością
Naukowcy podkreślają, że ich nowa technika otwiera drogę do szczegółowego badania przepływu ciepła i zachowań termicznych w najzimniejszych znanych stanach materii. Może ona posłużyć jako narzędzie do odkrywania zjawisk, które dotąd znaliśmy jedynie z opisu matematycznego i teoretycznego.