Fyzici MIT vytvořili dokonalou tekutinu a zachytili zvuk – poslouchejte zde

Vědci zachytili zvuk „dokonalé kapaliny“, která proudí s nejmenším množstvím tření povoleným zákony kvantové mechaniky. Fotografický kredit: Christine Daniloff, MIT

Výsledky mají vědcům pomoci studovat viskozitu v neutronových hvězdách plazma raného vesmíru a dalších silně interagujících tekutin.

Pro některé je zvukem „dokonalé řeky“ jemné lapování lesního potoka nebo snad cinkání vody ze džbánu. Pro fyziky je dokonalý tok specifičtější a týká se kapaliny, která teče s nejmenším třením nebo viskozitou povolenou zákony kvantové mechaniky. Takové dokonale tekuté chování je v přírodě vzácné, ale předpokládá se, že k němu dochází v jádrech neutronových hvězd a v polévkové plazmě raného vesmíru.

Nyní S Fyzici vytvořili v laboratoři dokonalou kapalinu a zjistili, že to zní asi takto:

Tento záznam je výsledkem glissanda zvukových vln, které tým vyslal přes pečlivě kontrolovaný plyn elementárních částic známých jako fermiony. Výška, kterou lze slyšet, jsou specifické frekvence, při kterých plyn rezonuje jako trhaná struna.

Vědci analyzovali tisíce zvukových vln procházejících tímto plynem, aby změřili jeho „šíření zvuku“ nebo aby zjistili, jak rychle se zvuk rozpouští v plynu, což přímo souvisí s viskozitou nebo vnitřním třením materiálu.

Překvapivě zjistili, že difúze zvuku kapaliny byla tak nízká, že ji lze popsat „kvantovým“ třením, které je dáno přirozenou konstantou známou jako Planckova konstanta a hmotou jednotlivých fermionů v kapalině.

Tato základní hodnota potvrdila, že silně interagující fermionový plyn se chová jako dokonalá kapalina a má univerzální povahu. Výsledky dnes zveřejněné v časopise Vědapoprvé ukázat, že vědci dokázali měřit šíření zvuku v dokonalé kapalině.

Vědci nyní mohou použít kapalinu jako model pro jiné, složitější a dokonalé proudění k odhadu viskozity plazmy v časném vesmíru a také kvantového tření v neutronových hvězdách – vlastnosti, které by jinak nebylo možné vypočítat. Vědci mohou být dokonce schopni zhruba předpovědět zvuky, které vydají.

“Je docela těžké to slyšet.” Neutronová hvězda“, Říká Martin Zwierlein, Thomas A. Frank profesor fyziky na MIT. „Ale teď to můžeš napodobit v laboratoři s atomy, protřepat tu atomovou polévku a poslouchat ji a vědět, jak by zněla neutronová hvězda.“

I když se neutronová hvězda a plyn týmu značně liší svou velikostí a rychlostí, jakou se zvuk šíří, Zwierlein po několika hrubých výpočtech odhaduje, že rezonanční frekvence hvězdy by byla podobná frekvencím plynu a dokonce slyšitelná – „kdybyste mohli Zavřete ucho, aniž byste byli roztrháni gravitací, “dodává.

Spoluautoři Zwierleinu jsou hlavní autor Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher a Julian Struck z MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Psaní, poslech, učení

Pro vytvoření dokonalé kapaliny v laboratoři vytvořil Zwierleinův tým plyn ze silně interagujících fermionů – elementárních částic, jako jsou elektrony, protony a neutrony, které jsou považovány za stavební kameny veškeré hmoty. Fermion je definován jeho polovičním celočíselným spinem, což je vlastnost, která brání jednomu fermionu v přijetí stejného rotace jako jiný blízký fermion. Tato exkluzivní povaha umožňuje rozmanitost atomových struktur v periodické tabulce prvků.

„Kdyby elektrony nebyly fermiony, ale byly by šťastné, že jsou ve stejném stavu, vodík, hélium a všechny atomy a my sami bychom vypadali stejně jako strašná nudná polévka,“ říká Zwierlein.

Fermiony samozřejmě dávají přednost tomu, aby byly od sebe odděleny. Když však silně interagují, mohou se chovat jako dokonalá kapalina s velmi nízkou viskozitou. K vytvoření takové dokonalé kapaliny vědci nejprve použili laserový systém k zachycení plynu složeného z atomů lithia-6, známého jako fermiony.

Vědci přesně nakonfigurovali lasery tak, aby vytvořili optickou krabici kolem fermionového plynu. Lasery byly vyladěny tak, že když fermiony zasáhly okraje krabice, odrazily se zpět do plynu. Kromě toho byly interakce mezi fermiony kontrolovány tak přísně, jak to kvantová mechanika dovolila, takže fermiony musely na sebe narazit při každém setkání v krabici. Díky tomu byly fermiony perfektní tekutinou.

“Museli jsme vyrobit kapalinu s jednotnou hustotou a teprve potom jsme mohli poklepat na jednu stranu, poslouchat druhou stranu a poučit se z ní,” říká Zwierlein. „Bylo vlastně docela těžké se dostat na toto místo, kde jsme mohli použít zvuk tímto zdánlivě přirozeným způsobem.“

“Perfektně proudí”

Tým poté vyslal zvukové vlny přes jednu stranu optické skříně jednoduchým změnou jasu jedné ze stěn, aby vytvořil zvukové vibrace kapalinou na specifických frekvencích. Zaznamenali tisíce snímků kapaliny, jak každá zvuková vlna procházela.

„Všechny tyto snímky nám společně dávají sonogram a je to něco jako to, co se děje během ultrazvukového vyšetření v ordinaci lékaře,“ říká Zwierlein.

Nakonec mohli sledovat hustotu zvlnění kapaliny v reakci na jakýkoli typ zvukové vlny. Poté hledali frekvence zvuku, které by v kapalině vytvořily rezonanční nebo zesílený zvuk, podobně jako zpěv nad sklenkou na víno a nalezení frekvence, při které se láme.

“Kvalita rezonancí mi říká něco o viskozitě nebo zvukové difuzivitě kapaliny,” vysvětluje Zwierlein. “Pokud má kapalina nízkou viskozitu, může vytvořit velmi silnou zvukovou vlnu a být velmi hlasitá, pokud je zasažena na správné frekvenci.” Pokud je to velmi viskózní kapalina, nebude mít dobré rezonance. “

Z jejich údajů vědci pozorovali jasné rezonance v kapalině, zejména při nízkých frekvencích. Z rozdělení těchto rezonancí vypočítali zvukovou difúzi kapaliny. Zjistili, že tuto hodnotu lze také snadno vypočítat pomocí Planckovy konstanty a hmotnosti průměrného fermionu v plynu.

To vědcům sdělilo, že plyn je dokonalá kapalina a má zásadní povahu: jeho šíření zvuku, a tedy i jeho viskozita, byly na nejnižší možné hranici stanovené kvantovou mechanikou.

Zwierlein říká, že výsledky využívají nejen výsledky k odhadu kvantového tření v exotičtějších hmotách, jako jsou neutronové hvězdy, ale mohou také pomoci pochopit, jak mohou určité materiály vykazovat dokonalý supravodivý tok.

„Tato práce přímo souvisí s trvanlivostí materiálů,“ říká Zwierlein. “Poté, co jsme zjistili, jaký nejnižší odpor může mít plyn, zjistíme, co se může stát s elektrony v materiálech a jak vyrobit materiály, ve kterých mohou elektrony dokonale proudit.” To je vzrušující. “

Odkaz: „Univerzální difúze zvuku ve silně interagujícím Fermigasu“, autor: Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard J. Fletcher, Julian Struck a Martin W. Zwierlein, 4. prosince 2020, Věda.
DOI: 10.1126 / science.aaz5756

Tento výzkum byl částečně podporován Národní vědeckou nadací a Centrem NSF pro ultracoldové atomy, Úřadem pro vědecký výzkum letectva, Úřadem pro námořní výzkum a Nadací Davida a Lucile Packardových.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.