Fizicienii MIT au creat un fluid perfect și au captat sunetul – ascultați aici

Oamenii de știință au captat sunetul unui „fluid perfect”, care curge cu cea mai mică cantitate de frecare permisă de legile mecanicii cuantice. Credit: Christine Daniloff, MIT

Rezultatele ar trebui să îi ajute pe oamenii de știință să studieze vâscozitatea stelelor cu neutroni plasmă a universului primitiv și a altor fluide care interacționează puternic.

Pentru unii, sunetul unui „flux perfect” poate fi căderea blândă a unui pârâu de pădure sau poate zvâcnirea apei vărsate dintr-un ulcior. Pentru fizicieni, un flux perfect este mai specific, se referă la un fluid care curge cu cea mai mică cantitate de frecare sau vâscozitate, permisă de legile mecanicii cuantice. Un astfel de comportament perfect fluid este rar în natură, dar se crede că apare în nucleele stelelor de neutroni și în plasma supă a universului timpuriu.

Vedea CU fizicienii au creat un fluid perfect în laborator și au descoperit că sună așa:

Această înregistrare este produsul unui glissando al undelor sonore pe care echipa le-a trimis printr-un gaz de particule elementare atent controlat, cunoscut sub numele de fermioni. Atingerile care pot fi auzite sunt frecvențele particulare la care gazul rezonează ca o sfoară ruptă.

Cercetătorii au analizat mii de unde sonore care călătoresc prin acest gaz pentru a măsura „difuziunea sunetului” sau viteza cu care sunetul se disipă în gaz, care este direct legată de vâscozitatea unui material sau frecare internă.

În mod surprinzător, au descoperit că difuzia sunetului din fluid a fost atât de redusă încât ar putea fi descrisă printr-o cantitate de frecare „cuantică”, dată de o constantă a naturii cunoscută sub numele de constanta Planck și de masa fermionilor individuali ai fluidului.

Această valoare fundamentală a confirmat faptul că gazul fermionic care interacționează puternic se comportă ca un fluid perfect și este de natură universală. Rezultatele, publicate astăzi în jurnal Ştiinţă, demonstrează pentru prima dată că oamenii de știință au reușit să măsoare difuzia sunetului într-un fluid perfect.

Oamenii de știință pot folosi acum fluidul ca model pentru alte fluxuri perfecte mai complicate pentru a estima vâscozitatea plasmatică în universul timpuriu, precum și fricțiunea cuantică în stelele de neutroni, proprietăți care altfel ar fi imposibile. a calcula. Chiar și oamenii de știință ar putea prezice aproximativ sunetele pe care le scot.

„Pur și simplu ne-a dat seama atunci stea neutronică„Dar acum Martin Zwierlein, profesor de fizică la Thomas A. Frank la MIT, spune:„ Dar acum ai putea să-l imiți într-un laborator cu atomi, să scuturi supa atomică și să o asculți și să știi cum ar suna o stea de neutroni ”.

Deși o stea de neutroni și gazul echipei diferă mult în ceea ce privește dimensiunea și viteza cu care trece sunetul, conform unor calcule aproximative, Zwierlein estimează că frecvențele rezonante ale stelei ar fi asemănător gazului și chiar sonor – ai putea să-ți apropii urechea fără ca gravitatea să o smulgă ”, adaugă el.

Co-autorii Zwierlein sunt autorul principal Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher și Julian Struck de la MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Atinge, ascultă, învață

Pentru a crea un fluid perfect în laborator, echipa lui Zwierlein a generat un gaz de fermioni care au interacționat puternic: particule elementare, cum ar fi electroni, protoni și neutroni, care sunt considerate componentele de bază ale întregii materii. Un fermion este definit de rotația sa pe jumătate de număr întreg, o proprietate care împiedică un fermion să presupună aceeași rotație ca un alt fermion din apropiere. Această natură unică este cea care permite diversitatea structurilor atomice găsite în tabelul periodic al elementelor.

„Dacă electronii nu ar fi fermioni, dar fericiți să se afle în aceeași stare, hidrogen, heliu și toți atomii, și noi înșine, am arăta la fel, ca o supă cumplită, plictisitoare”, spune Zwierlein.

Bineînțeles, fermionii preferă să rămână separați unul de celălalt. Dar, când sunt interacționați puternic, se pot comporta ca un fluid perfect, cu o vâscozitate foarte mică. Pentru a crea un fluid atât de perfect, cercetătorii au folosit mai întâi un sistem laser pentru a prinde un gaz de atomi de litiu-6, care sunt considerați fermioni.

Cercetătorii au configurat cu precizie laserele pentru a forma o cutie optică în jurul gazului fermion. Laserele au fost ajustate astfel încât, de fiecare dată când fermionii lovesc marginile cutiei, sări înapoi în gaz. În plus, interacțiunile dintre fermioni au fost controlate pentru a fi la fel de puternice pe cât le-a permis mecanica cuantică, astfel încât în ​​interiorul cutiei fermionii trebuiau să se ciocnească între ei la fiecare întâlnire. Acest lucru a făcut ca fermionii să devină un fluid perfect.

„A trebuit să producem un fluid cu o densitate uniformă și abia atunci am putut atinge o parte, asculta cealaltă parte și învăța din ea”, spune Zwierlein. „De fapt, a fost foarte dificil să ajungem în acest loc unde am putea folosi sunetul în acest mod aparent natural”.

„Curge într-un mod perfect”

Echipamentul a trimis apoi unde sonore printr-o parte a cutiei optice prin simpla variație a luminozității unuia dintre pereți, pentru a genera vibrații sonore prin fluid la anumite frecvențe. Au înregistrat mii de instantanee ale fluidului pe măsură ce fiecare undă sonoră se răspândea.

„Toate aceste instantanee împreună ne oferă o sonogramă și seamănă cu ceea ce se face atunci când se efectuează o ultrasunete în cabinetul medicului”, spune Zwierlein.

În cele din urmă, au reușit să vadă cum densitatea fluidului s-a ondulat ca răspuns la fiecare tip de undă sonoră. Apoi au căutat frecvențele sonore care au generat o rezonanță sau un sunet amplificat în fluid, similar cu cântatul într-un pahar de vin și găsirea frecvenței cu care se sparge.

„Calitatea rezonanțelor îmi spune despre vâscozitatea fluidului sau difuzia sunetului”, explică Zwierlein. „Dacă un fluid are o vâscozitate scăzută, acesta poate genera o undă sonoră foarte puternică și poate fi foarte puternic dacă este lovit cu frecvența potrivită. Dacă este un fluid foarte vâscos, nu are rezonanțe bune ”.

Din datele lor, cercetătorii au observat rezonanțe clare prin fluid, în special la frecvențe joase. Din distribuția acestor rezonanțe, au calculat difuzia sonoră a fluidului. Această valoare, au descoperit ei, ar putea fi calculată și foarte simplu prin constanta Planck și masa fermionului mediu al gazului.

Acest lucru le-a spus cercetătorilor că gazul era un fluid perfect și de o natură fundamentală: difuzia sonoră și, prin urmare, vâscozitatea sa, se aflau la cea mai mică limită posibilă stabilită de mecanica cuantică.

Zwierlein spune că, pe lângă utilizarea rezultatelor pentru estimarea fricțiunii cuantice în materie mai exotică, cum ar fi stelele de neutroni, rezultatele pot fi utile în înțelegerea modului în care anumite materiale pot fi făcute pentru a prezenta un flux supraconductor perfect.

„Această lucrare se conectează direct la rezistența materialelor”, spune Zwierlein. „După ce am aflat care este rezistența cea mai redusă pe care o puteți avea la un gaz, ne spune ce se poate întâmpla cu electronii din materiale și cum se pot face materiale acolo unde electronii pot curge perfect. E interesant. “

Referință: „Difuzarea sunetului universal într-un gaz Fermi care interacționează puternic” de Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard J. Fletcher, Julian Struck și Martin W. Zwierlein, 4 decembrie 2020, Ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.aaz5756

Această cercetare a fost susținută, în parte, de Fundația Națională pentru Științe și Centrul NSF pentru Atomi Ultracold, Biroul de Cercetări Științifice al Forțelor Aeriene, Biroul de Cercetări Navale și Fundația David și Lucile Packard.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ouă de pasăre marine contaminate cu cocktail chimic de aditivi din plastic

Pui de pescăruș și ouă. Credit: profesorul Jon Blount Aditivii chimici utilizați în producția de plastic au fost găsiți în ouăle de pescăruș hering,...

Dieta cu junk food poate crește riscul conducerii periculoase în rândul șoferilor de camioane

Dietele nesănătoase sunt asociate cu mai multă oboseală: principalul motiv al riscului crescut de accidente, spun cercetătorii. O dietă cu junk food poate crește oboseala...

Fotosinteza artificială promite o sursă de energie curată și durabilă

Oamenii pot face multe lucruri pe care plantele nu le pot face. Putem să ne plimbăm, putem vorbi, putem auzi și vedea și...

Gheața de mare din Arctica devine mai subțire de două ori mai repede decât era de așteptat

Gheața arctică în declin a Pământului este fără îndoială una dintre cele mai mari victime ale schimbărilor climatice, ale căror consecințe sunt de anvergură,...

Cel mai mare dinozaur din Australia – South Titan – a intrat în Cartea Recordurilor!

Australotitan cooperensis, „titanul sudic al lui Cooper”. Credit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Muzeul de Istorie Naturală Eromanga Cât de înaltă este terenul de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.