التقط العلماء صورًا مباشرة للحرارة وهي تتصرف مثل الصوت – وهي ظاهرة مراوغة تسمى “الصوت الثاني” – لأول مرة.

تم تصوير هذه الظاهرة داخل حالة سائلة فائقة غريبة من ذرات الليثيوم 6 الباردة بواسطة تقنية جديدة لرسم الخرائط الحرارية، وتظهر الحرارة تتحرك كموجة، وترتد مثل الصوت حول الحاوية الخاصة بها.

إن فهم الطريقة التي يتحرك بها الصوت الثاني يمكن أن يساعد العلماء على التنبؤ بكيفية تدفق الحرارة داخل النجوم النيوترونية فائقة الكثافة ودرجات الحرارة المرتفعة الموصلات الفائقة – واحدة من “الكأس المقدسة” للفيزياء والتي سيمكن تطويرها من نقل الطاقة دون خسارة تقريبًا. ونشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في المجلة علوم.

“يبدو الأمر كما لو كان لديك خزان ماء وجعل نصفه يغلي تقريبًا،” مؤلف مشارك في الدراسة ريتشارد فليتشر، أستاذ مساعد في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، قال في بيان. “إذا شاهدت بعد ذلك، فقد يبدو الماء نفسه هادئًا تمامًا، ولكن فجأة يصبح الجانب الآخر ساخنًا، ومن ثم يصبح الجانب الآخر ساخنًا، وتتحرك الحرارة ذهابًا وإيابًا، بينما يبدو الماء ساكنًا تمامًا.”

تنتشر الحرارة عادةً من مصدر موضعي، وتتبدد ببطء عبر المادة بأكملها أثناء رفع درجة الحرارة عبرها.

لكن المواد الغريبة التي تسمى السوائل الفائقة لا يجب أن تتبع هذه القواعد. يتم إنشاؤها عندما تكون سحب الفرميونات (والتي تشمل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات) يتم تبريدها إلى درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق، وتقترن الذرات الموجودة داخل السوائل الفائقة وتنتقل دون احتكاك في جميع أنحاء المادة.

متعلق ب: فيزيائيون يصنعون “دوامة كمومية” قياسية لدراسة أسرار الثقوب السوداء

ونتيجة لذلك، تتدفق الحرارة بشكل مختلف عبر المادة: فبدلاً من الانتشار عبر حركات الجزيئات داخل السائل، كما تتدفق عادةً، تتحرك الحرارة ذهابًا وإيابًا داخل السوائل الفائقة مثل الموجة الصوتية. تم توقع هذا الصوت الثاني لأول مرة من قبل الفيزيائي لازلو تيسا في عام 1938، لكن تقنيات رسم الخرائط الحرارية أثبتت، حتى الآن، عدم قدرتها على مراقبته مباشرة.

“الصوت الثاني هو السمة المميزة للسيولة الفائقة، ولكن في الغازات فائقة البرودة حتى الآن لا يمكنك رؤيته إلا في هذا الانعكاس الخافت لتموجات الكثافة المصاحبة له،” هذا ما قاله أحد كبار مؤلفي الدراسة. مارتن زويرلينوقال أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في البيان. “لم يكن من الممكن إثبات طبيعة الموجة الحارة من قبل.”

لالتقاط الصوت الثاني، كان على الباحثين حل مشكلة شاقة تتمثل في تتبع تدفق الحرارة داخل الغازات فائقة البرودة. هذه الغازات باردة جدًا لدرجة أنها لا تصدر الأشعة تحت الحمراء، والتي تعتمد عليها تقنيات رسم الخرائط الحرارية أو التصوير الحراري النموذجي.

وبدلاً من ذلك، طور الفيزيائيون طريقة لتتبع أزواج الفرميونات من خلال ترددات الرنين الخاصة بها. يتردد صدى ذرات الليثيوم-6 عند ترددات راديوية مختلفة مع تغير درجات الحرارة، بينما تهتز الذرات الأكثر دفئًا عند ترددات أعلى.

ومن خلال تطبيق ترددات الراديو الرنانة المقابلة للذرات الأكثر دفئًا، جعل العلماء هذه الذرات ترن استجابةً لها، مما مكنهم من تتبع تدفق الجسيمات إطارًا تلو الآخر.

قال زويرلاين: “لأول مرة، يمكننا التقاط صور لهذه المادة ونحن نقوم بتبريدها خلال درجة الحرارة الحرجة للسيولة الفائقة، ونرى مباشرة كيف تتحول من كونها سائلًا عاديًا، حيث تتوازن الحرارة بشكل ممل، إلى سائل فائق حيث تتحرك الحرارة ذهابًا وإيابًا”.

يقول الفيزيائيون إن تقنيتهم ​​الرائدة ستمكنهم من دراسة سلوكيات بعض الأجسام الأكثر تطرفًا في الكون بشكل أفضل، مثل النجوم النيوترونية، وقياس موصلية الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية لعمل تصميمات أفضل.

وقال زويرلاين: “هناك روابط قوية بين نفث الغاز لدينا، وهو أرق بمليون مرة من الهواء، وسلوك الإلكترونات في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، وحتى النيوترونات في النجوم النيوترونية فائقة الكثافة”. “الآن يمكننا التحقق بدقة من استجابة نظامنا لدرجة الحرارة، والتي تعلمنا أشياء يصعب فهمها أو حتى الوصول إليها.”