摘要：1938 年首次提出理论，热量通过超流体的波状流动，被称为“第二声音”，已被证明很难直接观察到。现在，一种新技术终于做到了，可以用来研究中子星和高温超导体。

1938 年首次提出理论，热量通过超流体的波状流动，被称为“第二声音”，已被证明很难直接观察到。现在，一种新技术终于做到了，可以用来研究中子星和高温超导体。

艺术家的粒子在盒子内移动的插图。 （图片来源：Getty Images）

科学家们首次捕捉到了热量表现得像声音的直接图像——一种被称为“第二声音”的难以捉摸的现象。

通过一种新的热图技术在冷锂 6 原子的奇异超流体状态中成像，该现象显示热量以波的形式移动，像声音一样在其容器周围反弹。

了解二次声音的移动方式可以帮助科学家预测热量如何在超密集中子星和高温超导体内部流动——高温超导体是物理学的“圣杯”之一，其发展将使近乎无损的能量传输成为可能。研究人员在《科学》杂志上发表了他们的发现。

“就好像你有一个水箱，让一半几乎沸腾了，”该研究的合著者、麻省理工学院 （MIT） 物理学助理教授理查德·弗莱彻 （Richard Fletcher） 在一份声明中说。“如果你然后观察，水本身可能看起来完全平静，但突然另一边很热，然后另一边很热，热量来回移动，而水看起来完全静止。”

通常，热量从局部源传播，随着温度的升高，热量会在整个材料中缓慢消散。

但是，被称为超流体的奇异材料不需要遵守这些规则。当费米子云（包括质子、中子和电子）冷却到接近绝对零度的温度时，超流体中的原子成对并在整个材料中无摩擦地移动。

因此，热量在材料中的流动方式不同：热量不是像通常那样通过流体内粒子的运动传播，而是像声波一样在超流体中来回晃动。物理学家 László Tisza 于 1938 年首次预测了第二种声音，但直到现在，热图技术还被证明无法直接观察到它。

“第二声音是超流体的标志，但到目前为止，在超冷气体中，你只能在随之而来的密度涟漪的微弱反射中看到它，”该研究的资深作者、麻省理工学院物理学教授马丁·兹维尔莱因（Martin Zwierlein）在声明中说。“热浪的性质以前无法证明。”

为了捕获第二声音，研究人员必须解决一个令人生畏的问题，即跟踪超冷气体内部的热量流动。这些气体非常冷，不会发出红外辐射，而典型的热图或热成像技术则依赖于红外辐射。

相反，物理学家开发了一种通过费米子对的谐振频率来跟踪它们的方法。锂 6 原子随着温度的变化以不同的无线电频率共振，较暖的原子以较高的频率振动。

通过应用与较暖原子相对应的共振无线电频率，科学家们使这些原子响应而响起，使他们能够逐帧跟踪粒子的流动。

“我们第一次可以在通过超流体的临界温度冷却这种物质时拍摄它的照片，并直接看到它是如何从热量无聊地平衡的正常流体转变为热量来回晃动的超流体，”Zwierlein 说。

物理学家表示，他们的开创性技术将使他们能够更好地研究宇宙中一些最极端的天体（如中子星）的行为，并测量高温超导体的电导率，从而做出更好的设计。

“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，甚至超致密中子星中的中子行为之间存在很强的联系，”Zwierlein 说。“现在我们可以原始地探测系统的温度响应，它教会了我们一些非常难以理解甚至难以触及的事情。”

来源：科学小侦探