Физики впервые зафиксировали «второй звук» после столетних поисков

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) впервые получили прямые изображения тепла, ведущего себя как звуковая волна. Это явление, известное как «второй звук», было предсказано еще в 1938 году, но до сих пор оставалось неуловимым. Открытие сделано в сверхтекучей среде из атомов лития-6 при температурах, близких к абсолютному нулю. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Обычно тепло распространяется по материалу постепенно, повышая температуру окружающей среды. Однако в сверхтекучих жидкостях — экзотических состояниях материи, возникающих при экстремально низких температурах, — тепло ведет себя иначе. Оно движется волнами, отражаясь от стенок контейнера, как звук. Именно это явление и называют «вторым звуком».

«Представьте резервуар с водой, где одна половина почти кипит, а другая холодная. В обычной среде тепло медленно распределилось бы по всему объему. Но в сверхтекучей жидкости тепло начинает колебаться, переходя от одной стороны к другой, хотя сама жидкость остается неподвижной», — объясняет Ричард Флетчер, соавтор исследования.

До сих пор ученые могли лишь косвенно наблюдать второй звук через слабые колебания плотности вещества. Проблема заключалась в том, что ультрахолодные газы не излучают инфракрасный свет, на котором основаны традиционные методы термографии.

Команда MIT разработала новый метод, основанный на резонансных радиочастотах. Атомы лития-6 меняют частоту колебаний в зависимости от температуры: чем теплее атом, тем выше его резонансная частота. Ученые подбирали частоты, соответствующие нагретым атомам, заставляя их «звучать» в ответ. Это позволило отслеживать движение тепла кадр за кадром.

• Сверхтекучесть — состояние, в котором квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне, устраняя трение.
• Фермионы (протоны, нейтроны, электроны) при охлаждении образуют пары, создавая сверхтекучую среду.
• Абсолютный ноль (−273,15 °C) — теоретический предел, при котором прекращается тепловое движение частиц.

Изучение второго звука поможет понять процессы, происходящие внутри нейтронных звезд — сверхплотных остатков взорвавшихся звезд. Кроме того, это открытие может ускорить разработку высокотемпературных сверхпроводников, способных передавать энергию почти без потерь.

1. Нейтронные звезды — их внутренняя структура до сих пор остается загадкой, но второй звук может объяснить, как тепло распространяется в их экстремально плотных недрах.
2. Сверхпроводники — материалы, проводящие электричество без сопротивления. Современные требуют охлаждения до −200 °C, но новый метод может помочь создать версии, работающие при более высоких температурах.

Теперь ученые могут детально изучать температурные реакции сверхтекучих сред, что раньше было невозможно. Это открывает путь к новым открытиям в квантовой физике и материаловедении.

«Наша методика позволяет заглянуть в процессы, которые раньше были недоступны. Это как получить новый микроскоп, но для тепловых волн», — говорит Мартин Цвирляйн, руководитель исследования.

Эксперименты MIT подтверждают, что даже в самых экстремальных условиях материя подчиняется квантовым законам, и теперь у ученых есть инструмент, чтобы исследовать эти законы в действии.