MIT-wetenschappers hebben voor het eerst tekenen van een ‘tweede geluid’ rechtstreeks in een supervloeistof vastgelegd. Het bizarre fenomeen doet zich voor wanneer warmte zich als geluidsgolven door een ongebruikelijke toestand van materie voortbeweegt. In onze dagelijkse ervaring ontsnapt warmte-energie naar de omgeving. Het hetere object koelt af tot de temperatuur van andere nabijgelegen materialen en verwarmt ze totdat een evenwicht is bereikt. In onconventionele materialen kan de natuurkunde echter contra-intuïtief werken.
Een superfluïde toestand is een zeldzame toestand van materie die geen viscositeit heeft, wat betekent dat materie kan stromen zonder enige weerstand of wrijving. Er wordt al lang voorspeld dat warmte in supervloeistoffen zoals geluidsgolven zou moeten kunnen stromen, vandaar de naam "tweede geluid", maar dit is tot nu toe niet direct waargenomen.
"Het is alsof je een tank met water hebt en de helft ervan bijna kookt", zegt studieauteur Richard Fletcher, een assistent-professor. "Als je dan kijkt, lijkt het water zelf misschien volkomen stil, maar dan wordt de andere kant ineens heet, en dan wordt de andere kant weer heet, en stroomt de warmte heen en weer, terwijl het water er volkomen stil uitziet.
Om dit fenomeen in beeld te brengen, moesten onderzoekers een geheel nieuwe manier bedenken om warmte te detecteren. Normaal gesproken zouden infraroodsensoren worden gebruikt, maar het creëren van een supervloeistof vereist koeling van het kwantumgas tot bijna het absolute nulpunt, en infraroodstraling wordt bij zulke lage temperaturen niet uitgezonden. Dus wendde het team zich tot de radio.
De onderzoekers gebruikten een kwantumgas bestaande uit lithium-6-fermionen en ontdekten dat hoe hoger de temperatuur van deze fermionen, hoe hoger de frequentie waarmee ze resoneren. Het team paste hogere radiofrequenties toe op het gas, waardoor de hetere fermionen erin resoneerden. Door te volgen welke fermionen op verschillende tijdstippen resoneren, kunnen wetenschappers het ‘tweede geluid’ opvangen terwijl de hittegolven heen en weer zwaaien.
Martin Zwierlein, eerste auteur van het onderzoek, zei: "Voor het eerst kunnen we foto's maken van deze stof terwijl deze afkoelt tot de superfluïde kritische temperatuur en direct zien hoe deze overschakelt van een gewone vloeistof met een saai thermisch evenwicht naar een supervloeistof met heen en weer glijdende hitte."
Het team zegt dat het observeren van dit vreemde fenomeen wetenschappers kan helpen de geleidbaarheid van warmte in zeldzamere toestanden van materie, waaronder supergeleiders en neutronensterren, beter te begrijpen, en hen op hun beurt kan helpen betere systemen te ontwerpen.
Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Science.