To, čo fyzici poznali len z rovníc, teraz videli naživo. Po 90 rokoch zachytili „zvuk tepla“
Vedci po prvýkrát priamo zachytili jav nazývaný druhý zvuk, pri ktorom sa teplo správa ako vlna bez pohybu hmoty.
Teplo sa v bežnom svete správa predvídateľne. Horúce miesto sa postupne ochladí, studené sa ohreje a všetko sa časom vyrovná. Fyzika však pozná výnimky. Vedci z Massachusetts Institute of Technology teraz po prvýkrát priamo zobrazili jav, pri ktorom sa teplo správa ako vlna a pohybuje sa tam a späť bez toho, aby sa samotná hmota výrazne hýbala.
Tento jav fyzici označujú ako druhý zvuk. O jeho existencii sa hovorilo už od roku 1938, no až teraz ho niekto dokázal „odfotiť“. Výsledky vyšli v časopise Science, ktorý publikuje len úzky výber najzásadnejších objavov.
Prvý a druhý zvuk: jednoduchý rozdiel
Aby to neznelo ako abstraktná hra so slovami, pomôže jednoduchá vizualizácia. Prvý zvuk, teda bežný zvuk, poznáš z každodenného života. Atómy sa hýbu spolu v jednej vlne, podobne ako dav ľudí, ktorý sa naraz pohne dopredu. Mení sa hustota materiálu a vlna sa šíri priestorom.
Druhý zvuk funguje inak. Supertekutá a normálna zložka látky sa pohybujú proti sebe. Celkový počet atómov na jednom mieste ostáva rovnaký, hustota sa nemení, no mení sa pomer „teplej“ a „studenej“ časti. Výsledkom je pohyb samotnej teploty, nie hmoty.
Práve tento jav sa vedcom z MIT podarilo priamo zachytiť.
Neprehliadni
Experiment prebehol v supertekutine, extrémnom stave hmoty, ktorý vznikne pri teplotách blízkych absolútnej nule. V takom prostredí atómy tečú bez vnútorného trenia a systém sa správa úplne inak než bežné kvapaliny.
Tím pod vedením fyzika Martina Zwierleina pracoval s fermiónmi líthia-6, ktoré ochladil na nanokelvinové teploty. V tomto stave sa hmota správa ako zmes dvoch tekutín, normálnej a supertekutej. Ich vzájomný „protikrok“ umožní vznik druhého zvuku.
„Je to, akoby si mal nádrž s vodou, kde jedna polovica takmer vrie,“ vysvetľuje Richard Fletcher z MIT: „Voda vyzerá pokojne, no teplo sa začne presúvať z jednej strany na druhú, zatiaľ čo samotná kvapalina ostáva stáť.“
Ako vedci „videli“ teplo
Pri ultranízkych teplotách nefungujú infračervené kamery. Plyny nevyžarujú teplo spôsobom, ktorý by sa dal klasicky snímať. Výskumníci preto zvolili iný prístup.
Zistili, že atómy rezonujú na rôznych rádiových frekvenciách podľa svojej teploty. Teplejšie oblasti odpovedajú vyššou frekvenciou, chladnejšie nižšou. Naladením rádiového signálu vedci izolovali „horúce“ fermióny a sledovali ich pohyb v čase.
Výsledkom sa stali pohyblivé mapy teploty, ktoré jasne ukázali vlnové prelievanie tepla tam a späť.
„Po prvýkrát sme priamo videli, ako sa systém mení z obyčajnej tekutiny na supertekutinu, kde sa teplo správa ako vlna,“ hovorí Zwierlein.
Na prvý pohľad ide o experiment z veľmi vzdialeného sveta. V skutočnosti má však priame prepojenie na moderné technológie. Rovnaké fyzikálne princípy, ktoré riadia supertekutiny, ovplyvňujú aj supravodiče, základný stavebný prvok dnešných kvantových počítačov.
For the first time, physicists have captured direct images of “second sound,” the movement of heat sloshing back and forth within a superfluid. https://t.co/AhLzgXei2f pic.twitter.com/aYyELJQBpl
— Massachusetts Institute of Technology (MIT) (@MIT) February 9, 2024
Kvantové procesory trpia jedným zásadným problémom: teplom. Každý neželaný tepelný pohyb narúša kvantové stavy a núti systémy používať masívne chladiace zariadenia s tekutým héliom.
Ak vedci presne pochopia, ako sa teplo v takýchto materiáloch šíri, môžu navrhnúť efektívnejšie architektúry procesorov. Tie by zvládli vyšší výkon pri menších energetických stratách.
„Existuje silné prepojenie medzi týmto plynom a správaním elektrónov v vysokoteplotných supravodičoch,“ vysvetľuje Zwierlein: „Teraz vieme skúmať teplotnú odozvu systému spôsobom, ktorý bol predtým nedostupný.“
Koniec jednej fyzikálnej detektívky
Myšlienku druhého zvuku vyslovil fyzik László Tisza už v roku 1938. Takmer deväť desaťročí zostávala bez priameho dôkazu. To, že sa ju podarilo zachytiť až teraz, vysvetľuje, prečo článok vyšiel práve v Science.
Nejde o experiment, ktorý by zajtra zmenil svet. Ide o uzavretie jednej dlhej kapitoly fyziky a o nový nástroj, ktorý umožní presnejšie chápať správanie energie v extrémnych podmienkach.
A práve tam sa často začnú rodiť technológie, ktoré sa o pár rokov presunú z laboratória do bežného života.
