En la mayoría de los materiales, el calor favorece la disipación. Si el punto caliente se deja solo, se desvanecerá gradualmente a medida que el entorno se caliente. Pero en estados raros de la materia, el calor puede comportarse como una onda, moviéndose hacia adelante y hacia atrás 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 el “segundo sonido”.

Sólo en unos pocos sujetos se observaron signos del segundo sonido. Ahora, los físicos del MIT han capturado por primera vez imágenes directas del segundo sonido.

Las nuevas imágenes revelan cómo el calor puede moverse como una onda, «moviéndose» hacia adelante y hacia atrás, incluso cuando la materia física se mueve de una manera completamente diferente. Las imágenes captan el movimiento puro del calor, independiente de las moléculas de la materia.

“Es como si tuvieras un tanque de agua y pusieras a hervir aproximadamente la mitad”, ofrece una analogía el profesor asociado Richard Fletcher. «Si observas entonces, el agua en sí puede parecer perfectamente tranquila, pero de repente el otro lado se calienta, y luego el otro lado se calienta, y el calor se mueve hacia adelante y hacia atrás, mientras que el agua parece estar completamente quieta».

Dirigido por Martin Zuerlein, profesor de Física Thomas Franke, el equipo imaginó el segundo sonido en un superfluido: un estado especial de la materia que surge cuando una nube de átomos se enfría a temperaturas extremadamente bajas, momento en el cual los átomos comienzan a fluir como un fluido completamente sin fricción. En este estado de superfluido, los teóricos predijeron que el calor también debería fluir como una onda, aunque los científicos no han podido observar directamente este fenómeno hasta ahora.

Los nuevos hallazgos, publicados hoy en la revista CienciasEste descubrimiento ayudará a los físicos a obtener una imagen más completa de cómo viaja 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 Zuerlein. «Ahora podemos investigar con precisión la respuesta de nuestro sistema a la temperatura, lo que nos enseña cosas que son difíciles de entender o incluso de acceder».

Los coautores del estudio con Zuerlein y Fletcher son el primer autor y ex estudiante de posgrado en física Zhengyi Yan y los ex estudiantes de posgrado en física Parth Patel y Biswaroop Mukherjee, junto con Chris Vale de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Melbourne, Australia. Los investigadores del MIT forman parte del Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos (CUA).

sonido superior

Cuando las nubes de átomos caen a temperaturas cercanas al cero absoluto, pueden transformarse en estados raros de la materia. El equipo de Zuerlein en el MIT está explorando fenómenos extraños que ocurren entre átomos ultrafríos, específicamente fermiones, que son partículas que, como los electrones, normalmente se evitan entre sí.

Sin embargo, bajo ciertas condiciones, se puede hacer que los fermiones interactúen fuertemente y se acoplen. En este estado acoplado, los fermiones pueden fluir de formas no convencionales. En sus últimos experimentos, el equipo utilizó átomos fermiónicos de litio-6, que quedaron atrapados y enfriados a temperaturas de nanokelvin.

En 1938, el físico Laszlo Tesza propuso un modelo de superfluidez de dos fluidos, en el que un superfluido es en realidad una mezcla de un fluido viscoso ordinario 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 calor exóticas, que el físico Leif Landau llamó más tarde «el segundo sonido».

Dado que un líquido se transforma en un superfluido a una temperatura crítica y superfría, el equipo del MIT razonó que los dos tipos de fluidos también deben transferir calor de manera diferente: en los fluidos ordinarios, el calor debe disiparse como de costumbre, mientras que en un superfluido puede moverse a la misma velocidad. mismo método. Onda, similar al sonido.

«El segundo sonido es el sello distintivo de la superfluidez, pero en los gases ultrafríos hasta ahora sólo se puede ver en este débil reflejo de las ondas de densidad que lo acompañan», dice Zuerlein. «Antes no se había podido demostrar la naturaleza de la ola de calor».

Establecer en

Zuerlein y su equipo intentaron aislar y observar el segundo sonido, el movimiento de las ondas de calor, independientemente del movimiento físico de los fermiones en su superfluido. Lo hicieron desarrollando un nuevo método de imágenes térmicas, el mapa de calor. En materiales tradicionales, se pueden utilizar sensores de infrarrojos para obtener imágenes de fuentes de calor.

Pero a temperaturas muy frías, los gases no emiten radiación infrarroja. En cambio, el equipo desarrolló una forma de utilizar frecuencias de radio 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 contiene más fluidos normales, resuena a una frecuencia más alta. Las áreas más frías de la nube resuenan a una frecuencia más baja.

Los investigadores utilizaron frecuencias de radio de resonancia más altas, lo que provocó que los fermiones naturales «calientes» en el líquido resonaran en respuesta. Luego, los investigadores pudieron centrarse en los fermiones resonantes y rastrearlos a lo largo del tiempo para crear «películas» que revelan el movimiento puro del calor: un movimiento de ida y vuelta, similar a las ondas sonoras.

“Por primera vez, podemos tomar imágenes de este material mientras se enfría a través de la temperatura crítica de superfluidez, y ver directamente cómo pasa de ser un líquido ordinario, donde el calor se equilibra de manera aburrida, a un superfluido donde el calor se mueve hacia adelante y hacia atrás. ”, dice Zuerlein.

Estos experimentos representan la primera vez que los científicos han podido obtener imágenes directamente del segundo sonido, el movimiento puro del calor en un gas cuántico ultrafluido. Los investigadores planean ampliar su trabajo para mapear con mayor precisión el comportamiento de la temperatura de otros gases ultrafríos. A continuación, dicen que sus hallazgos pueden ampliarse 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, con suerte, comprender y diseñar mejores sistemas», concluye Zuerlein.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y una beca de Vannevar Bush College. El equipo del MIT es parte del Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos (Centro sobre las Fronteras de la Física de NSF) y forma parte del Departamento de Física del MIT y del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE).