Les signes du deuxième son n’ont été observés que chez quelques sujets. Aujourd’hui, des physiciens du MIT ont capturé pour la première fois des images directes du deuxième son.

Les nouvelles images révèlent comment la chaleur peut se déplacer comme une vague, « se déplaçant » d'avant en arrière, même lorsque la matière physique se déplace d'une manière complètement différente. Les images capturent le pur mouvement de la chaleur, indépendant des molécules de matière.

«C'est comme si vous aviez un réservoir d'eau et que vous en faisiez bouillir environ la moitié», propose une analogie avec le professeur agrégé Richard Fletcher. « Si vous regardez alors, l'eau elle-même peut sembler parfaitement calme, mais tout à coup, l'autre côté devient chaud, puis l'autre côté devient chaud, et la chaleur va et vient, tandis que l'eau semble complètement immobile. »

Dirigée par Martin Zuerlein, professeur de physique Thomas Franke, l'équipe a imaginé le deuxième son dans un superfluide – un état particulier de la matière qui apparaît lorsqu'un nuage d'atomes est refroidi à des températures extrêmement basses, auquel cas les atomes commencent à geler. Il s'écoule comme un fluide totalement sans friction. Dans cet état de superfluide, les théoriciens prédisaient que la chaleur devrait également circuler comme une vague, même si les scientifiques n’ont pas pu observer directement ce phénomène jusqu’à présent.

Les nouvelles découvertes sont rapportées dans la revue les sciencesCette découverte aidera les physiciens à avoir une idée plus complète de la manière dont la chaleur se propage à travers les superfluides et autres matériaux associés, notamment les supraconducteurs et les étoiles à neutrons.

« Il existe des liens étroits entre notre bouffée de gaz, qui est un million de fois plus fine que l'air, et le comportement des électrons dans les supraconducteurs à haute température, et même des neutrons dans les étoiles à neutrons ultra-denses », explique Zuerlein. « Nous pouvons désormais étudier avec précision la réponse de notre système à la température, ce qui nous apprend des choses difficiles à comprendre ou même à accéder. »

Les co-auteurs de l'étude avec Zuerlein et Fletcher sont le premier auteur et ancien étudiant diplômé en physique Zhengyi Yan et les anciens étudiants diplômés en physique Parth Patel et Biswaroop Mukherjee, ainsi que Chris Vale de l'Université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie. Les chercheurs du MIT font partie du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA).

Un son supérieur

Lorsque les nuages ​​d’atomes chutent à des températures proches du zéro absolu, ils peuvent se transformer en états rares de la matière. Le groupe de Zuerlein au MIT explore des phénomènes étranges qui se produisent entre des atomes ultrafroids, en particulier des fermions – des particules, comme les électrons, qui s'évitent normalement.

Cependant, dans certaines conditions, les fermions peuvent interagir fortement et se coupler. Dans cet état couplé, les fermions peuvent circuler de manière non conventionnelle. Dans leurs dernières expériences, l’équipe a utilisé des atomes fermioniques de lithium-6, qui ont été piégés et refroidis à des températures nanokelvins.

En 1938, le physicien Laszlo Tesza a proposé un modèle de superfluide à deux fluides – dans lequel un superfluide est en fait un mélange d’un fluide visqueux ordinaire et d’un superfluide sans friction. Ce mélange de deux fluides devrait permettre la production de deux types de sons, des ondes de densité ordinaires et des ondes de chaleur exotiques, que le physicien Leif Landau appellera plus tard « le deuxième son ».

Puisqu'un liquide se transforme en superfluide à une température critique très froide, l'équipe du MIT a estimé que les deux types de fluides doivent également transférer la chaleur différemment : dans les fluides ordinaires, la chaleur doit se dissiper comme d'habitude, tandis que dans un superfluide, elle peut se déplacer à la fois. même méthode. Vague, semblable au son.

« Le deuxième son est la marque de la superfluidité, mais jusqu'à présent dans les gaz ultrafroids, on ne peut le voir que dans ce faible reflet des ondulations de densité qui l'accompagnent », explique Zuerlein. « La nature de la canicule n'a pas pu être prouvée auparavant. »

S'installer

Zuerlein et son équipe ont cherché à isoler et à observer le deuxième son, le mouvement des vagues de chaleur, indépendamment du mouvement physique des fermions dans leur superfluide. Pour ce faire, ils ont développé une nouvelle méthode d’imagerie thermique, la cartographie thermique. Dans les matériaux traditionnels, des capteurs infrarouges peuvent être utilisés pour imager les sources de chaleur.

Mais à des températures très froides, les gaz n’émettent pas de rayonnement infrarouge. Au lieu de cela, l’équipe a développé un moyen d’utiliser les fréquences radio pour « voir » comment la chaleur se déplace à travers le superfluide. Ils ont découvert que les fermions lithium-6 résonnent à différentes fréquences radio en fonction de leur température : lorsque le nuage est à des températures plus chaudes et contient davantage de fluides normaux, il résonne à une fréquence plus élevée. Les zones les plus froides du nuage résonnent à une fréquence plus basse.

Les chercheurs ont utilisé des fréquences radio de résonance plus élevées, provoquant la résonance de tous les fermions naturels « chauds » présents dans le liquide. Les chercheurs ont ensuite pu se concentrer sur les fermions résonants et les suivre au fil du temps pour créer des « films » révélant le pur mouvement de la chaleur – un mouvement de va-et-vient, semblable aux ondes sonores.

« Pour la première fois, nous pouvons prendre des images de ce matériau alors qu'il est refroidi au-delà de la température critique de superfluidité, et voir directement comment il passe du statut de liquide ordinaire, où la chaleur s'équilibre de manière ennuyeuse, à un superfluide où la chaleur recule et », dit Zuerlein.

Ces expériences représentent la première fois que les scientifiques parviennent à imager directement le deuxième son, le pur mouvement de la chaleur dans un gaz quantique ultrafluide. Les chercheurs prévoient d’étendre leurs travaux pour cartographier avec plus de précision le comportement en température d’autres gaz ultra-froids. Ensuite, ils affirment que leurs découvertes peuvent être étendues pour prédire comment la chaleur circule dans d’autres matériaux à forte interaction, comme dans les supraconducteurs à haute température et dans les étoiles à neutrons.

« Nous serons désormais en mesure de mesurer avec précision la conductivité thermique dans ces systèmes et, espérons-le, de comprendre et de concevoir de meilleurs systèmes », conclut Zuerlein.

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation (NSF), le Bureau de recherche scientifique de l’Air Force et une bourse du Vannevar Bush College. L'équipe du MIT fait partie du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (Centre sur les frontières de la physique de la NSF) et du Département de physique du MIT et du Laboratoire de recherche en électronique (RLE).