物理学家捕捉到了热在超流体中“晃动”的第一个声音，揭示了热是如何像波一样运动的

诸平

Fig. 1 Credit: CC0 Public Domain

Fig. 2 For the first time, MIT physicists have captured direct images of “second sound,” the movement of heat sloshing back and forth within a superfluid. The results will expand scientists’ understanding of heat flow in superconductors and neutron stars. Credits:Image: Jose-Luis Olivares, MIT

Fig. 3 First sound, depicted in a simple animation, is ordinary sound in the form of density waves, in which normal fluid and superfluid oscillate together. Second sound is the movement of heat, in which superfluid and normal fluid “slosh” against each other, while leaving the density constant. Images: Courtesy of the researchers

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2024年2月8日提供的消息，物理学家捕捉到了热在超流体中“晃动”的第一个声音，揭示了热是如何像波一样运动的(Physicists capture first sounds of heat 'sloshing' in a superfluid, revealing how heat can move like a wave)。

在大多数材料中，热量倾向于分散。如果不受干扰，热点会随着周围环境变暖而逐渐消失。但在稀有的物质状态下，热量可以表现得像波一样，来回移动，有点像声波从房间的一端反弹到另一端。事实上，这种波状的热量就是物理学家所说的“第二声”("second sound")。

第二声的迹象只在少数材料中被观察到。现在，美国麻省理工学院（MIT）与澳大利亚斯威本科技大学（Swinburne University of Technology, Melbourne, Australia）的物理学家们合作，首次捕捉到了第二声的直接图像。新的图像揭示了热量如何像波一样移动，并来回“晃动”，即使材料的物理物质可能以完全不同的方式移动。这些图像捕捉到了热量的纯粹运动，与材料的粒子无关。

助理教授理查德·弗莱彻(Richard Fletcher)做了一个类比，“这就好像你有一罐水，让一半的水几乎沸腾。如果你观察，水本身可能看起来完全平静，但突然另一边变热了，然后另一边又变热了，热量来回传递，而水看起来是完全静止的。”

在托马斯·弗兰克（Thomas A Frank）物理学教授马丁·兹维尔雷恩（Martin Zwierlein）的带领下，该团队可视化了超流体中的第二种声音。超流体是一种物质的特殊状态，当原子云被冷却到极低的温度（extremely low temperatures）时，原子开始像完全无摩擦的流体一样流动。在这种超流体状态下，理论学家预测热量也应该像波一样流动，尽管科学家们直到现在才能够直接观察到这种现象。相关研究结果于2024年2月8日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Zhenjie Yan, Parth B. Patel, Biswaroop Mukherjee, Chris J. Vale, Richard J. Fletcher, Martin W. Zwierlein. Thermography of the superfluid transition in a strongly interacting Fermi gas. Science, 2024, 383 (6683): 629-633. DOI: 10.1126/science.adg3430. 8 Feb 2024. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3430

此文的新结果将帮助物理学家更全面地了解热量如何在超流体和其他相关材料包括超导体和中子星（neutron stars）中传播。

马丁·兹维尔雷恩说:“我们的气体比空气薄一百万倍，与高温超导体（ high-temperature superconductors）中电子的行为，甚至是超密集中子星中的中子之间存在着密切的联系。现在我们可以探测我们系统的原始温度反应，这告诉我们一些非常难以理解甚至难以达到的东西。”

上述论文的第一作者是MIT的前物理学研究生、现在澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的严振杰（Zhenjie Yan音译）以及其他几位前物理学研究生。麻省理工学院的研究人员一部分是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心(CUA)的。

超声（Super sound）

当原子云的温度降到接近绝对零度时，它们可以转变成稀有的物质状态。马丁·兹维尔雷恩在麻省理工学院的研究小组正在探索在超冷原子(ultracold atoms)中出现的奇异现象，特别是费米子（fermions）粒子，比如电子，它们通常会互相躲避。

然而，在某些条件下，费米子可以产生强烈的相互作用和配对。在这种耦合状态下，费米子可以以非常规的方式流动。在他们最新的实验中，研究小组使用了费米子锂-6原子（⁶Li），这些原子被捕获并冷却到纳开尔文的温度(nK, nanokelvin temperatures)。

1938年，物理学家拉斯洛·蒂萨（László Tisza）提出了超流动性（superfluidity）的双流体模型（two-fluid model），超流体实际上是一些正常的粘性流体和无摩擦超流体的混合物。这种两种流体的混合物应该允许两种类型的声音，普通密度波（ordinary density waves）和特殊的温度波（peculiar temperature waves），物理学家列夫·朗道（Lev Landau）后来将其命名为“第二声音”（ "second sound"）。

由于流体在某个临界的超冷温度下转变为超流体，麻省理工学院的研究小组推断，这两种类型的流体也应该以不同的方式传递热量：在普通流体中，热量应该像往常一样消散，而在超流体中，它可以像波一样移动，类似于声音。

马丁·兹维尔雷恩说:“第二声音是超流态（superfluidity）的标志，但到目前为止，在超冷气体中，你只能在伴随它的密度涟漪（density ripples）的微弱反射中看到它。热波的特征以前无法得到证实。”

调谐（Tuning in）

马丁·兹维尔雷恩和他的团队试图分离并观察第二种声音，即热的波状运动，它独立于费米子在超流体中的物理运动。他们通过开发一种新的热成像方法——一种热成像技术（heat-mapping technique）来做到这一点。在传统材料中，人们会使用红外传感器对热源成像。

但在超冷的温度下，气体不会发出红外辐射。相反，该团队开发了一种使用无线电频率来“观察”热量如何在超流体中移动的方法。他们发现锂-6费米子在不同的无线电频率上共振取决于它们的温度:当原子云处于更高的温度，并且携带更多的正常液体时，它的共振频率更高。原子云中温度较低的区域共振频率较低。

研究人员使用了更高的共振无线电频率（resonant radio frequency），这促使液体中任何正常的“热”费米子发出响应。然后，研究人员能够将注意力集中在共振费米子上，并随着时间的推移跟踪它们，从而创造出“电影”，揭示热量的纯粹运动——来回晃动，类似于声波（详见图3视频的相关链接）。

马丁·兹维尔雷恩说:“这是第一次，当我们把这种物质冷却到超流态的临界温度时，我们可以拍下它的照片，并直接看到它是如何从正常流体(热量平衡得很无聊)转变为超流体(热量来回晃动)的。”

这些实验标志着科学家们第一次能够直接成像第二声音（second sound），以及超流体量子气体（superfluid quantum gas）中纯粹的热运动。

研究人员计划将他们的工作扩展到更精确地绘制其他超冷气体中的热量行为。然后，他们说，他们的发现可以扩大规模，以预测其他强相互作用材料(如高温超导体和中子星)中的热流。

马丁·兹维尔雷恩总结道:“现在我们将能够精确测量这些系统的导热性，并希望能够理解和设计更好的系统。”

本研究得到了美国海军研究办公室（Office of Naval Research: N00014-19-1-2631）、美国空军科学研究处（Air Force Office of Scientific Research: FA9550-16-1-0324）、美国多学科大学研究计划（Multidisciplinary University Research Initiative: FA9550-14-1-0035）、麻省理工学院超冷原子研究中心（Center for Ultracold Atoms, Massachusetts Institute of Technology: PHY-1734011, PHY-2012110）以及美国海军研究（Naval Research: N00014-17-1-2257）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Editor’s summary

In superfluids, heat propagates like a wave in a phenomenon dubbed “second sound. ” However, observing this propagation directly is tricky. Yan et al. used a quantum gas of strongly interacting fermionic lithium atoms held in a box potential to visualize second sound. The researchers used radiofrequency spectroscopy to map out local changes to the temperature. Above the superfluid transition, heat propagated diffusively, but below the transition, wave-like propagation characteristic of second sound was observed. —Jelena Stajic

Abstract

Heat transport can serve as a fingerprint identifying different states of matter. In a normal liquid, a hotspot diffuses, whereas in a superfluid, heat propagates as a wave called “second sound.” Direct imaging of heat transport is challenging, and one usually resorts to detecting secondary effects. In this study, we establish thermography of a strongly interacting atomic Fermi gas, whose radio-frequency spectrum provides spatially resolved thermometry with subnanokelvin resolution. The superfluid phase transition was directly observed as the sudden change from thermal diffusion to second-sound propagation and is accompanied by a peak in the second-sound diffusivity. This method yields the full heat and density response of the strongly interacting Fermi gas and therefore all defining properties of Landau’s two-fluid hydrodynamics.