تصاویر ثبت شده از گرما را ببینید

به گزارش تاسیسات نیوز، گرما معمولاً به عنوان چیزی در نظر گرفته می‌شود که پخش می‌شود و از بین می‌رود، اما در برخی از حالت‌های عجیب و غریب از ماده می‌تواند مانند یک موج رفتار کند و مانند صدا به جلو و عقب حرکت کند.

تجسم امواج گرما در یک ابر سیال

به نقل از آی‌ای، این پدیده که به «صوت دوم»(second sound) معروف است، تنها در چند ماده مشاهده شده است. اکنون برای اولین بار، فیزیکدانان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) تصاویر مستقیمی از «صوت دوم» در حال حرکت گرفته‌اند.

این تصاویر نشان می‌دهند که چگونه گرما می‌تواند مانند یک موج، مستقل از ماده فیزیکی حرکت کند که ممکن است متفاوت حرکت کند. پژوهشگران از یک ابر سیال که حالتی از ماده است که در آن اتمها بدون اصطکاک در جریان هستند، به عنوان وسیله‌ای برای تجسم صوت دوم استفاده کردند. آنها دریافتند که گرما و ماده می‌توانند در مقابل یکدیگر به آرامی حرکت کنند و نوساناتی شبیه امواج صوتی ایجاد کنند.

ریچارد فلچر استادیار فیزیک در MIT و یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: گویی یک مخزن آب دارید و نیمی از آن تقریباً به جوش می‌آید. آن‌گاه اگر نگاه کنید ممکن است خود آب کاملاً آرام به نظر برسد، اما ناگهان طرف دیگر داغ می‌شود و سپس طرف دیگر داغ می‌شود و گرما به عقب و جلو می‌رود، در حالی که آب ساکن به نظر می‌رسد.

این مطالعه که در مجله «ساینس»(Science) منتشر شده است، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا چگونگی حرکت گرما در ابرسیال‌ها و سایر مواد مرتبط مانند ابررساناها و ستاره‌های نوترونی را درک کنند. این مواد خواص غیرمعمول و شگفت‌انگیزی مانند مقاومت صفر و رسانایی بی‌نهایت از خود نشان می‌دهند که می‌تواند فناوری‌ها و کاربردهای جدید را ممکن کنند.

مارتین زویرلین استاد فیزیک در MIT و رهبر این تیم تحقیقاتی می‌گوید: ارتباطات قدرتمندی بین ابرسیال ما که یک میلیون بار نازک‌تر از هواست و رفتار الکترون‌ها در ابررساناهای با دمای بالا و حتی نوترون‌ها در ستارگان نوترونی فوق‌چگال وجود دارد. اکنون می‌توانیم واکنش دمایی سیستم خود را به‌ طور کامل بررسی کنیم که به ما چیزهایی را می‌آموزد که درک یا حتی دستیابی به آنها بسیار دشوار است.

کمک صوت به درک ابر سیال‌ها و سایر مواد

پژوهشگران از ابری از اتم‌های لیتیوم-۶ استفاده کردند که فِرمیون‌ها هستند. فِرمیون‌ها نوعی ذره هستند که معمولاً یکدیگر را دفع می‌کنند. آنها با سرد کردن اتم‌ها تا نزدیک به صفر مطلق و اِعمال میدان مغناطیسی، موجب جفت شدن اتم‌ها و تشکیل یک ابر سیال می‌شوند. سپس از یک پرتوی لیزر برای ایجاد یک نقطه داغ در ابر سیال و از یک پرتوی لیزر دیگر برای تصویربرداری از امواج گرمایی حاصل استفاده کردند.

پژوهشگران مشاهده کردند که امواج گرما به صورت متناوب و مشابه با امواج صوتی حرکت می‌کنند و با امواج ماده خارج از فاز هستند، به این معنی که گرما و ماده در جهت مخالف در حال نوسان هستند. این نشانه صوت دوم است که از صوت معمولی که در آن گرما و ماده با هم حرکت می‌کنند، متمایز است.

صوت دوم برای اولین بار توسط فیزیکدانی به نام لازلو تیسا در سال ۱۹۳۸ پیش‌بینی شد. وی یک مدل دو سیالی برای ابرشارگی پیشنهاد کرد و گفت یک ابر سیال مخلوطی از مقداری مایع معمولی و چسبناک و یک ابر سیال بدون اصطکاک است. این مخلوط از دو سیال باید دو نوع صدا را ایجاد کند، امواج با چگالی معمولی و امواج دمایی عجیب که فیزیکدان دیگری به نام لو لاندو بعداً آن را «صوت دوم» نامید.

از آنجایی که سیال در دمای بحرانی و فوق سرد معینی به یک ابر سیال تبدیل می‌شود، تیم MIT استدلال کرد که دو نوع سیال نیز باید گرما را متفاوت انتقال دهند. در سیالات معمولی، گرما باید به طور معمول از بین برود، در حالی که در یک ابر سیال می‌تواند به صورت یک موج مشابه با صوت حرکت کند.

زویرلین می‌گوید: صوت دوم مشخصه ابرشارگی(ابرسیال بودن) است، اما در گازهای فوق‌سرد تاکنون فقط می‌توانستید آن را در این بازتاب ضعیف از امواج چگالی که همراه با آن هستند، ببینید و خصلت موج گرما تاکنون ثابت نشده بود.

زویرلین و گروهش برای اثبات آن به دنبال جداسازی و مشاهده صوت دوم(حرکت موج‌مانند گرما) مستقل از حرکت فیزیکی فرمیون‌ها در ابر سیال خود بودند. آنها این کار را با توسعه یک روش جدید ترموگرافی(یک تکنیک نقشه برداری حرارتی) انجام دادند. در مواد معمولی می‌توان از حسگرهای فروسرخ برای تصویربرداری از منابع گرما استفاده کرد.

اما در دماهای فوق سرد، گازها تابش فروسرخ ساطع نمی‌کنند. این تیم در عوض، روشی را برای استفاده از فرکانس رادیویی برای مشاهده نحوه حرکت گرما در ابر سیال ایجاد کرد. آنها دریافتند که فرمیون‌های لیتیوم-۶ بسته به دمایشان در فرکانس‌های رادیویی مختلف طنین‌انداز می‌شوند. وقتی ابر گازی در دمای گرم‌تری قرار دارد و مایع معمولی بیشتری را حمل می‌کند، با فرکانس بالاتری طنین‌انداز می‌شود. مناطقی در ابر گازی که سردتر هستند با فرکانس کمتری طنین‌انداز می‌شوند.

پژوهشگران فرکانس رادیویی طنین بالاتری را به کار بردند که باعث می‌شود هر فرمیون معمولی و داغ در مایع در پاسخ به صدا درآید. سپس پژوهشگران می‌توانند فرمیون‌های تشدید شونده را به صفر برسانند و آنها را در طول زمان ردیابی کنند تا تصاویری ثبت کنند که حرکت خالص گرما را به صورت حرکتی به جلو و عقب و شبیه به امواج صوتی نشان می‌دهد.

زویرلین می‌گوید: ما برای اولین بار می‌توانیم از این ماده در حالی که آن را در دمای بحرانی ابرسیال سرد می‌کنیم، عکس بگیریم و به طور مستقیم ببینیم که چگونه از یک سیال معمولی به ابرسیالی که در آن گرما به جلو و عقب حرکت می‌کند، تغییر می‌کند.

این آزمایش‌ها اولین باری را نشان می‌دهند که دانشمندان توانسته‌اند مستقیماً صوت دوم و حرکت خالص گرما را در یک گاز کوانتومی ابر سیال تصویر کنند.

پژوهشگران قصد دارند کار خود را برای ترسیم دقیق‌تر رفتار گرما در سایر گازهای فوق سرد گسترش دهند. سپس آنها می‌گویند یافته‌هایشان را می‌توان برای پیش‌بینی چگونگی جریان گرما در سایر مواد با تعامل قوی، مانند ابررساناهای با دمای بالا و ستاره‌های نوترونی افزایش داد.