Les scientifiques ont capturé des images directes de la chaleur se comportant comme un son – un phénomène insaisissable appelé «Second Sound» – pour la toute première fois.
Imagé dans un état superfluide exotique d’atomes de lithium-6 froid par une nouvelle technique de cartographie thermique, le phénomène montre la chaleur se déplaçant comme une vague, rebondissant comme un son autour de son récipient.
Comprendre la façon dont les mouvements du deuxième son pourraient aider les scientifiques à prédire comment la chaleur s’écoule à l’intérieur des étoiles à neutrons ultrade et à haute température supraconducteurs – L’un des « Saint-Graals » de la physique dont le développement permettrait une transmission d’énergie presque sans perte. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Science.
« C’est comme si vous aviez un réservoir d’eau et que vous aviez fait une moitié de l’ébullition », co-auteur de l’étude Richard Fletcherprofesseur adjoint de physique au Massachusetts Institute of Technology (MIT), dit dans un communiqué. « Si vous regardiez ensuite, l’eau elle-même peut être totalement calme, mais soudain, l’autre côté est chaud, puis l’autre côté est chaud, et la chaleur va et vient, tandis que l’eau a l’air totalement immobile. »
Généralement, la chaleur se propage à partir d’une source localisée, se dissipant lentement à travers un matériau entier lorsqu’il augmente la température à travers elle.
Mais les matériaux exotiques appelés superfluides n’ont pas besoin de jouer selon ces règles. Créé lorsque des nuages de fermions (qui incluent protons, neutrons et électrons) sont refroidis à des températures approchant du zéro absolu, les atomes à l’intérieur des superfluides se marient et voyagent sans frottement dans tout le matériau.
En conséquence, la chaleur coule différemment à travers le matériau: au lieu de se propager à travers les mouvements des particules à l’intérieur du fluide, car il coule généralement, la chaleur se glisse dans les deux sens dans les superfluides comme une onde sonore. Ce deuxième son a été prédit pour la première fois par le physicien László Tisza en 1938, mais les techniques de cartographie thermique se sont, jusqu’à présent, prouvées de l’observer directement.
« Le deuxième son est la marque de la superfluidité, mais dans les gaz ultracold jusqu’à présent, vous ne pouviez le voir que dans ce faible reflet des ondulations de la densité qui l’accompagnent », étudient un auteur senior Martin Zwierleina déclaré un professeur de physique au MIT, dans le communiqué. « Le caractère de la vague de chaleur n’a pas pu être prouvé auparavant. »
Pour capturer le deuxième son, les chercheurs ont dû résoudre un problème intimidant dans le suivi du flux de chaleur à l’intérieur des gaz ultracold. Ces gaz sont si froids qu’ils ne dégagent pas le rayonnement infrarouge, sur lequel les techniques typiques de cartographie thermique ou de thermographie reposent.
Au lieu de cela, les physiciens ont développé une méthode pour suivre les paires de fermions à travers leurs fréquences de résonance. Les atomes de lithium-6 résonnent à différentes fréquences radio à mesure que leurs températures changent, avec des atomes plus chauds vibrant à des fréquences plus élevées.
En appliquant des radiofréquences résonnantes correspondant à des atomes plus chauds, les scientifiques ont fait sonner ces atomes en réponse, leur permettant de suivre le cadre d’écoulement des particules par image.
« Pour la première fois, nous pouvons prendre des photos de cette substance alors que nous la refroidissons à travers la température critique de la superfluidité, et voir directement comment elle passe d’un fluide normal, où la chaleur est équilibrée de manière bordeuse, à un superfluide où la chaleur se glisse dans les deux sens », a déclaré Zwierlein.
Les physiciens disent que leur technique révolutionnaire leur permettra de mieux étudier les comportements de certains des objets les plus extrêmes de l’univers, tels que les étoiles à neutrons, et de mesurer la conductivité des supraconducteurs à haute température pour faire de meilleures conceptions.
« Il existe de fortes connexions entre notre bouffée de gaz, qui est un million de fois plus mince que l’air, et le comportement des électrons dans les supraconducteurs à haute température, et même les neutrons dans des étoiles à neutrons ultrade », a déclaré Zwierlein. « Maintenant, nous pouvons sonder de manière impatient la réponse à la température de notre système, qui nous enseigne sur des choses qui sont très difficiles à comprendre ou même à atteindre. »
