Na maioria dos materiais, o calor prefere se dispersar. Se deixado sozinho, um ponto quente desaparecerá gradualmente à medida que aquece o ambiente. Mas em estados raros da matéria, o calor pode se comportar como uma onda, movendo-se para frente e para trás como uma onda sonora que salta de uma extremidade à outra de uma sala. Na verdade, esse calor ondulatório é o que os físicos chamam de “segundo som”.



Sinais de segundo som foram observados em apenas alguns materiais. Agora, os físicos do MIT capturaram imagens diretas do segundo som pela primeira vez.

As novas imagens revelam como o calor pode mover-se como uma onda e “balançar” para a frente e para trás, mesmo que a matéria física de um material possa mover-se de uma forma totalmente diferente. As imagens capturam o puro movimento do calor, independente das partículas do material.

“É como se você tivesse um tanque de água e metade dele quase fervesse”, oferece o professor assistente Richard Fletcher como analogia. "Se você observar, a água em si pode parecer totalmente calma, mas de repente o outro lado fica quente, e então o outro lado fica quente, e o calor vai e volta, enquanto a água parece totalmente parada."

Liderada por Martin Zwierlein, professor de física da Thomas A Frank, a equipe visualizou o segundo som em um superfluido – um estado especial da matéria que é criado quando uma nuvem de átomos é resfriada a temperaturas extremamente baixas, ponto em que os átomos começam a fluir. como um fluido completamente livre de atrito. Neste estado superfluido, os teóricos previram que o calor também deveria fluir como uma onda, embora os cientistas não tivessem conseguido observar diretamente o fenómeno até agora.

Os novos resultados, publicados na revista Science , ajudará os físicos a obter uma imagem mais completa de como o calor se move através de superfluidos e outros materiais relacionados, incluindo supercondutores e estrelas de nêutrons.

“Existem fortes ligações entre a nossa nuvem de gás, que é um milhão de vezes mais fina que o ar, e o comportamento dos eletrões em supercondutores de alta temperatura, e até dos neutrões em estrelas de neutrões ultradensas”, diz Zwierlein. "Agora podemos sondar com precisão a resposta à temperatura do nosso sistema, o que nos ensina coisas que são muito difíceis de compreender ou mesmo de alcançar."

Os co-autores de Zwierlein e Fletcher no estudo são o primeiro autor e ex-aluno de pós-graduação em física Zhenjie Yan e os ex-alunos de pós-graduação em física Parth Patel e Biswaroop Mikherjee, juntamente com Chris Vale na Swinburne University of Technology em Melbourne, Austrália. Os pesquisadores do MIT fazem parte do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA).

Super som

Quando nuvens de átomos são reduzidas a temperaturas próximas do zero absoluto, elas podem fazer a transição para estados raros da matéria. O grupo de Zwierlein no MIT está explorando os fenômenos exóticos que emergem entre átomos ultrafrios e, especificamente, férmions – partículas, como os elétrons, que normalmente se evitam.

Sob certas condições, entretanto, os férmions podem interagir fortemente e formar pares. Neste estado acoplado, os férmions podem fluir de maneiras não convencionais. Para seus experimentos mais recentes, a equipe emprega átomos fermiônicos de lítio-6, que são presos e resfriados a temperaturas de nanokelvin.

Em 1938, o físico László Tisza propôs um modelo de dois fluidos para a superfluidez – que um superfluido é na verdade uma mistura de algum fluido normal e viscoso e um superfluido sem atrito. Essa mistura de dois fluidos deveria permitir dois tipos de som, ondas de densidade comuns e ondas de temperatura peculiares, que o físico Lev Landau mais tarde chamou de "segundo som".

Como um fluido faz a transição para um superfluido a uma certa temperatura crítica e ultrafria, a equipe do MIT argumentou que os dois tipos de fluido também deveriam transportar calor de maneira diferente:em fluidos normais, o calor deveria se dissipar normalmente, enquanto em um superfluido ele poderia se mover como uma onda, semelhante ao som.

“O segundo som é a marca registrada da superfluidez, mas até agora em gases ultrafrios você só conseguia vê-lo neste leve reflexo das ondulações de densidade que o acompanham”, diz Zwierlein. “O caráter da onda de calor não pôde ser comprovado antes”.

Sintonizando

Zwierlein e sua equipe procuraram isolar e observar o segundo som, o movimento ondulatório do calor, independente do movimento físico dos férmions em seu superfluido. Eles fizeram isso desenvolvendo um novo método de termografia – uma técnica de mapeamento térmico. Em materiais convencionais, seriam usados ​​sensores infravermelhos para gerar imagens de fontes de calor.

Mas em temperaturas ultrabaixas, os gases não emitem radiação infravermelha. Em vez disso, a equipe desenvolveu um método para usar radiofrequência para “ver” como o calor se move através do superfluido. Eles descobriram que os férmions de lítio-6 ressoam em diferentes frequências de rádio dependendo de sua temperatura:quando a nuvem está em temperaturas mais altas e carrega mais líquido normal, ela ressoa em uma frequência mais alta. As regiões da nuvem que são mais frias ressoam em uma frequência mais baixa.

Os pesquisadores aplicaram a frequência de rádio ressonante mais alta, o que fez com que quaisquer férmions normais e “quentes” no líquido soassem em resposta. Os pesquisadores conseguiram então focar nos férmions ressonantes e rastreá-los ao longo do tempo para criar “filmes” que revelavam o movimento puro do calor – um movimento para frente e para trás, semelhante a ondas de som.

“Pela primeira vez, podemos tirar fotos desta substância enquanto a resfriamos através da temperatura crítica da superfluidez, e ver diretamente como ela passa de um fluido normal, onde o calor se equilibra de maneira enfadonha, para um superfluido onde o calor oscila para frente e para trás. ", diz Zwierlein.

Os experimentos marcam a primeira vez que os cientistas conseguiram criar imagens diretas do segundo som e do puro movimento do calor em um gás quântico superfluido.

Os investigadores planeiam alargar o seu trabalho para mapear com mais precisão o comportamento do calor noutros gases ultrafrios. Depois, dizem que as suas descobertas podem ser ampliadas para prever como o calor flui noutros materiais que interagem fortemente, como em supercondutores de alta temperatura e em estrelas de neutrões.

“Agora seremos capazes de medir com precisão a condutividade térmica nestes sistemas e esperamos compreender e projetar sistemas melhores”, conclui Zwierlein.

Mais informações: Zhenjie Yan et al, Termografia da transição superfluida em um gás Fermi de forte interação, Ciência (2024). DOI:10.1126/science.adg3430. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3430
Informações do diário: Ciência

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.