En la mayoría de los materiales, el calor prefiere dispersarse. Si se deja solo, un punto caliente se desvanecerá gradualmente a medida que calienta su entorno. Pero en estados raros de la materia, el calor puede comportarse como una onda, moviéndose hacia adelante y hacia atrás, algo así como una onda sonora que rebota de un extremo a otro de una habitación. De hecho, este calor ondulatorio es lo que los físicos llaman "segundo sonido".
Se han observado señales de un segundo sonido sólo en unos pocos materiales. Ahora los físicos del MIT han capturado imágenes directas de un segundo sonido por primera vez.
Las nuevas imágenes revelan cómo el calor puede moverse como una ola y "chapotear" de un lado a otro, del mismo modo que la materia física de un material puede moverse de una manera completamente diferente. Las imágenes capturan el movimiento puro del calor, independiente de las partículas de un material.
"Es como si tuvieras un tanque de agua y la mitad estuviera a punto de hervir", ofrece como analogía el profesor asistente Richard Fletcher. "Si luego observas, el agua en sí podría parecer totalmente tranquila, pero de repente el otro lado está caliente, y luego el otro lado está caliente, y el calor va y viene, mientras el agua parece totalmente tranquila".
Dirigido por Martin Zwierlein, profesor de Física Thomas A Frank, el equipo visualizó un segundo sonido en un superfluido, un estado especial de la materia que se crea cuando una nube de átomos se enfría a temperaturas extremadamente bajas, momento en el que los átomos comienzan a fluir. como un fluido completamente libre de fricción. Los teóricos predijeron que en este estado superfluido el calor también debería fluir como una onda, aunque hasta ahora los científicos no habían podido observar directamente el fenómeno.
Los nuevos resultados, publicados en la revista Science , ayudará a los físicos a obtener una imagen más completa de cómo se mueve el calor a través de superfluidos y otros materiales relacionados, incluidos superconductores y estrellas de neutrones.
"Existen fuertes conexiones entre nuestra nube de gas, que es un millón de veces más delgada que el aire, y el comportamiento de los electrones en superconductores de alta temperatura, e incluso de los neutrones en estrellas de neutrones ultradensas", afirma Zwierlein. "Ahora podemos probar de forma impecable la respuesta de temperatura de nuestro sistema, lo que nos enseña cosas que son muy difíciles de entender o incluso alcanzar".
Los coautores del estudio de Zwierlein y Fletcher son el primer autor y ex estudiante de posgrado en física Zhenjie Yan y los ex estudiantes de posgrado en física Parth Patel y Biswaroop Mikherjee, junto con Chris Vale de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Melbourne, Australia. Los investigadores del MIT forman parte del Centro de Átomos Ultrafríos (CUA) del MIT-Harvard.
Cuando las nubes de átomos se reducen a temperaturas cercanas al cero absoluto, pueden pasar a estados raros de la materia. El grupo de Zwierlein en el MIT está explorando los fenómenos exóticos que surgen entre los átomos ultrafríos, y específicamente los fermiones:partículas, como los electrones, que normalmente se evitan entre sí.
Sin embargo, bajo ciertas condiciones, se puede hacer que los fermiones interactúen fuertemente y se apareen. En este estado acoplado, los fermiones pueden fluir de formas no convencionales. Para sus últimos experimentos, el equipo emplea átomos fermiónicos de litio-6, que quedan atrapados y enfriados a temperaturas de nanokelvin.
En 1938, el físico László Tisza propuso un modelo de superfluidez de dos fluidos:que un superfluido es en realidad una mezcla de un fluido viscoso normal y un superfluido sin fricción. Esta mezcla de dos fluidos debería permitir la aparición de dos tipos de sonido, ondas de densidad ordinarias y ondas de temperatura peculiares, que el físico Lev Landau denominó más tarde "segundo sonido".
Dado que un fluido pasa a un superfluido a una determinada temperatura crítica y ultrafría, el equipo del MIT razonó que los dos tipos de fluido también deberían transportar el calor de manera diferente:en los fluidos normales, el calor debería disiparse como de costumbre, mientras que en un superfluido, podría moverse como una onda, similar al sonido.
"El segundo sonido es el sello distintivo de la superfluidez, pero en los gases ultrafríos hasta ahora sólo se podía ver en este débil reflejo de las ondas de densidad que lo acompañan", dice Zwierlein. "Antes no se había podido demostrar el carácter de la ola de calor."
Zwierlein y su equipo intentaron aislar y observar el segundo sonido, el movimiento ondulatorio del calor, independiente del movimiento físico de los fermiones en su superfluido. Lo hicieron desarrollando un nuevo método de termografía:una técnica de mapas de calor. En materiales convencionales se utilizarían sensores infrarrojos para visualizar fuentes de calor.
Pero a temperaturas ultrafrías, los gases no emiten radiación infrarroja. En cambio, el equipo desarrolló un método para utilizar radiofrecuencia para "ver" cómo se mueve el calor a través del superfluido. Descubrieron que los fermiones de litio-6 resuenan en diferentes frecuencias de radio dependiendo de su temperatura:cuando la nube tiene temperaturas más cálidas y transporta más líquido normal, resuena a una frecuencia más alta. Las regiones de la nube que son más frías resuenan a una frecuencia más baja.
Los investigadores aplicaron la radiofrecuencia de mayor resonancia, lo que provocó que cualquier fermión normal y "caliente" en el líquido sonara en respuesta. Luego, los investigadores pudieron concentrarse en los fermiones resonantes y rastrearlos a lo largo del tiempo para crear "películas" que revelaran el movimiento puro del calor:un chapoteo de un lado a otro, similar a las ondas de sonido.
"Por primera vez, podemos tomar fotografías de esta sustancia mientras la enfriamos a través de la temperatura crítica de superfluidez, y ver directamente cómo pasa de ser un fluido normal, donde el calor se equilibra de manera aburrida, a un superfluido donde el calor chapotea de un lado a otro. ", dice Zwierlein.
Los experimentos marcan la primera vez que los científicos han podido obtener imágenes directamente de un segundo sonido y del movimiento puro del calor en un gas cuántico superfluido.
Los investigadores planean ampliar su trabajo para mapear con mayor precisión el comportamiento del calor en otros gases ultrafríos. Luego, dicen que sus hallazgos se pueden ampliar para predecir cómo fluye el calor en otros materiales que interactúan fuertemente, como en los superconductores de alta temperatura y en las estrellas de neutrones.
"Ahora podremos medir con precisión la conductividad térmica en estos sistemas y esperamos comprender y diseñar mejores sistemas", concluye Zwierlein.
Más información: Zhenjie Yan et al, Termografía de la transición superfluida en un gas Fermi que interactúa fuertemente, Ciencia (2024). DOI:10.1126/science.adg3430. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3430
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
