Fizicienii confirmă fascinanta existență a „sunetului secund”

Căldura, de obicei, se răspândește până când dispare. În viața de zi cu zi, un loc cald dintr-un lichid se amestecă rapid cu zonele mai reci, iar totul ajunge la o temperatură uniformă.

Cercetătorii de la MIT, după ce au studiat un gaz cuantic superfluid, au demonstrat că, în anumite condiții, căldura poate călători sub forma unui val – fenomen numit „sunet secund” – în loc să se răspândească și să se disipe treptat, potrivir earth.com.

Pantxo Diribarne, de la Comisia pentru Energie Atomică și Energii Alternative și de la Universitatea Grenoble Alpes din Franța, consideră că acest fenomen oferă șansa de a descifra și alte mistere legate de stări neobișnuite ale materiei.

Ce este „sunetul secund”

Fenomenul straniu și incredibil cunoscut sub numele de „sunet secund” se referă la o stare în care căldura se propagă ca un val, nu prin difuzie, așa cum suntem obișnuiți.

În loc să se răspândească lent, energia termică pulsează printr-un material în același mod în care sunetul se propagă prin aer.

Nu este ceva ce poți experimenta în viața de zi cu zi, dar în sisteme ultrareci sau extrem de ordonate – cum ar fi anumite cristale sau fluide cuantice – sunetul secund dezvăluie o fațetă complet diferită a modului în care energia se poate mișca.

Acest val este diferit de modul obișnuit în care curge temperatura. În loc să se disipeze constant până când se uniformizează, căldura pulsează ca undele pe suprafața unui lac. Este ca și cum căldura ar vorbi o limbă pe care rareori o auzim.

Fenomenul numit turbulență cuantică apare atunci când componentele normale și superfluide se mișcă împreună la scară mare, dar își pierd sincronizarea la scară mică.

Superfluide și fizica extremă

Un superfluid este un lichid special care curge fără vâscozitate. În heliu-4, acest comportament apare la temperaturi sub aproximativ −271 grade Celsius.

Când lichidul este atât superfluid, cât și normal, între cele două forme poate apărea frecare. Această frecare poate produce structuri vârtej în superfluid, dar permite și propagarea pulsului de temperatură (sunetul secund).

Oamenii de știință sunt interesați să studieze și supraconductorii de temperatură înaltă, care transportă curent cu pierderi minime de energie. Unii cred că sunetul secund ar putea oferi indicii despre transportul termic în aceste sisteme.

Stelele neutronice, acele obiecte incredibil de dense din spațiu, pot oferi și ele indicii. Un fluid cuantic ar putea ocupa interiorul lor și, posibil, ar putea canaliza căldura în moduri similare cu modelele de sunet secund.

De ce contează sunetul secund

Cercetătorii au testat sunetul secund în heliu pentru a vedea dacă același tip de undă apare și în alte materiale exotice. Descoperirea unui tipar în heliul superfluid ar putea ajuta la interpretarea semnalelor din experimentele avansate de fizică.

Cu ajutorul sunetului secund, enigma modului în care curge energia devine mai clară. Această claritate sprijină eforturile de a proiecta tehnologii care valorifică efectele cuantice, precum senzori sensibili sau sisteme de răcire mai eficiente.

Echipa a folosit tehnici noi de imagistică pentru a observa pulsul de căldură care se propagă prin fluid. Prin captarea acestei mișcări, au separat răspândirea normală a căldurii de unda de căldură care nu se estompează complet.

Analiza datelor a indicat că viteza acestor unde este de aproximativ 15 metri/secundă (49 picioare/secundă) pentru heliul la 1,6 K, deși mici variații de temperatură și presiune pot schimba această viteză.

Valul se estompează în cele din urmă, dar călătorește suficient de mult pentru a confirma existența distinctă a sunetului secund.

Instrumente cuantice și sunetul secund

Pentru a măsura cu precizie sunetul secund, cercetătorii au folosit o cavitate rezonantă umplută cu heliu superfluid.

Această configurație le-a permis să creeze și să urmărească unde de temperatură staționare, oferind o privire directă asupra comportamentului liniilor de vortex și a spațiului dintre ele.

Au combinat această metodă cu tehnici de urmărire a particulelor folosind microsfere de sticlă goale.

Aceste mici trasoare au ajutat la captarea mișcării fluidului în sine și au arătat modul în care impulsurile de căldură afectează particulele din jur – fără a perturba semnalul sunetului secund.

Perspective legate de turbulență

Studiile anterioare au încercat să explice sunetul secund concentrându-se pe liniile de vortex, care sunt nuclee mici, vârtejuri în superfluid.

Lucrări recente sugerează că aceste linii stabilesc un nivel cheie de distanțare unde mișcarea temperaturii sub formă de undă poate domina.

Rezultatul surprinzător este că frecarea nu determină singură modul în care curge căldura.

În schimb, circulația la scară mare și încurcăturile de vortexuri formează o cascadă care stabilește când conducția termică obișnuită se transformă într-un val călător.

Cercetarea ar putea extinde conceptele de sunet secund la temperaturi mai ridicate. Acest lucru ar face legătura între superfluidele de heliu și sistemele solide care prezintă propagare ondulatorie a temperaturii.

Criticii notează că variațiile de temperatură și vibrațiile mecanice pot uneori masca semnalele delicate. Pentru a rezolva acest lucru, oamenii de știință plănuiesc un control termic mai strict și imagistică mai rafinată în următoarea generație de teste.

Independența față de temperatură

Una dintre cele mai surprinzătoare descoperiri este că evoluția sunetului secund a rămas aproape neschimbat la temperaturi diferite.

Cercetătorii se așteptau ca frecarea dintre componentele fluidului să varieze mai semnificativ, dar măsurătorile au arătat o foarte mică dependență de temperatură.

Acest lucru sugerează că altceva, posibil structura turbulenței interne a fluidului, joacă un rol mai important decât se credea anterior.

Această descoperire deschide calea pentru a regândi modul în care energia se pierde în fluidele cuantice, mai ales în sistemele unde vâscozitatea tradițională nu se aplică.

Sunetul secund și tehnologia viitorului

Dacă ideile despre sunetul secund se leagă de supraconductori, am putea îmbunătăți liniile de energie ale viitorului. Unii visează și la aplicarea răcirii pe bază de unde în laboratoare.

La scară cosmică, corelarea caracteristicilor superfluide cu interiorul stelelor neutronice ar putea indica modul în care aceste stele pierd energie.

Urmărirea acestor unde ar putea duce la noi perspective asupra comportamentului materiei supuse unor forțe gravitaționale extreme.

Chiar dacă, în mod normal, căldura se răspândește până se stinge, fenomenul sunetului secund contrazice această noțiune.

Oamenii de știință explorează acum modul în care impulsurile de temperatură ar putea genera noi fenomene fizice în fluidele cuantice și chiar în corpurile cosmice.

Studiul este publicat pe arXiv.