麻省理工学院的物理学家首次捕捉到了“第二声音”的直接图像，即热量在超流体中来回晃动的运动。 研究结果将扩大科学家对超导体和中子星热流的理解。来源：Jose-Luis，麻省理工学院
麻省理工学院的第二秒声学可视化为理解超流体中热的波状行为及其对各种物质状态的影响开辟了新途径，扩大了科学家对超导体和中子星热流的理解。
新图像揭示了热量如何像波浪一样来回“晃动”，尽管材料的物理物质可能以完全不同的方式移动。 这些图像捕捉到热的纯粹运动，与材料颗粒无关。
“这就像你有一箱水，其中一半几乎沸腾了，”助理教授理查德·弗莱彻说。 “如果你再看，水本身可能看起来完全静止，但突然另一侧变热，然后另一侧又变热，热量来回流动，而水看起来完全静止。”
由 -Frank 物理学教授 领导的研究小组在超流体中可视化了第二秒的声音。 超流体是一种特殊的物质状态，当一团原子被冷却到极低的温度时就会出现这种状态，此时原子开始像完全无摩擦的流体一样流动。 在这种超流体状态下，理论家预测热量也应该像波一样流动，尽管科学家直到现在还无法直接观察到这种现象。
简单动画中描绘的第一种声音是密度波形式的普通声音，其中普通流体和超流体一起振荡。图片来源：研究人员提供
第二个声音是热量的运动，超流体和普通流体在保持相同密度的同时互相“撞击”。图片来源：研究人员提供
最近发表在《科学》杂志上的新结果将帮助物理学家更全面地了解超流体和其他相关材料（包括超导体和中子星）中的热量如何流动。
“我们的气体（比空气薄一百万倍）与高温超导体中的电子行为，甚至超高密度中子星中的中子行为之间存在着紧密的联系，”说。 “现在我们可以纯粹地探测我们系统的温度响应，这让我们了解到一些难以理解甚至难以访问的东西。”
该研究的共同作者包括第一作者严振杰（前物理学研究生）、帕斯·帕特尔（前物理学研究生）和澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的克里斯·维尔（Chris Vale）。 麻省理工学院的研究人员是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心 (CUA) 的成员。
当原子云冷却到接近绝对零的温度时，它们会转变为稀有的物质状态。 麻省理工学院的一个研究小组正在探索超冷原子之间发生的奇怪现象，特别是费米子——通常会相互避开的粒子，比如电子。
然而，在某些条件下，费米子可以强烈相互作用并配对。 在这种耦合状态下，费米子可以以非常规的方式流动。 在最新的实验中，研究小组捕获了费米子锂 6 原子，捕获它们并将它们冷却到纳开尔文温度。
1938年，物理学家László Tisza提出了超流体的双流体模型——超流体实际上是普通粘性流体和无摩擦超流体的混合物。 这种两种流体的混合物可以产生两种类型的声音，普通密度波和特殊温度波，物理学家列夫·兰道后来将其命名为“第二声音”。
由于流体在某个临界超冷温度下转变为超流体，麻省理工学院的团队推断这两种流体也应该以不同的方式传递热量：在正常流体中，热量应该像往常一样消散，而在超流体中波物理学家，热量可以像波浪一样移动，类似于声音。
说：“第二声音是超流动性的标志，但在超冷气体中，迄今为止你只能在密度波纹的微弱反射中看到它，而热波的特征此前一直未能得到证实。”
研究小组试图分离并观察第二种声音，即热的波状运动，它与超流体中费米子的物理运动无关。 为此，他们开发了一种新的热成像方法——热图技术。 在传统材料中，红外传感器用于对热源进行成像。
但在超低温下，气体不会发出红外辐射。 相反，该团队使用无线电频率来“观察”热量如何在超流体中移动。 他们发现锂-6费米子会根据温度产生不同的射频共振：当云层温度较高且携带更多正常液体时，共振频率较高。 云层温度较低的区域具有较低的共振频率。
研究人员使用更高的谐振无线电频率来引起液体中任何正常的“热”费米子发出响应。 然后，研究人员能够锁定共振费米子并随着时间的推移跟踪它们，从而制作出揭示热的纯粹运动的“电影”——类似于声波的来回摇摆。
“我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍摄，并直接看到它如何从具有无聊热平衡的普通流体转变为具有热来回滑动的超流体。”
这些实验标志着科学家第一次能够直接对超流量子气体中的第二秒声波和纯热运动进行成像。 研究人员计划扩展他们的工作波物理学家，以更精确地绘制热量在其他超冷气体中的行为方式。 这些发现可以推广到预测其他强相互作用材料（例如高温超导体和中子星）中的热量如何流动，准确测量这些系统的导热率，并有望理解和设计更好的系统。
