Физики поймали звук, движущийся с двумя разными скоростями в трехмерном квантовом газе
После ранее изученного явления двух звуковых волн в квантовых жидкостях ученые теперь наблюдали звук, движущийся с двумя разными скоростями в квантовом газе.
Если бы вы каким-то образом погрузились в трехмерный газ, использовали для этого исследования вы услышите каждый звук дважды: каждый отдельный звук переносится двумя разными звуковыми волнами, движущимися с двумя разными скоростями.
Это важное достижение в области сверхтекучести – жидкостей без вязкости, которые могут поток без какой-либо потери энергии.
Примечательно, что наблюдаемое в газе поведение с точки зрения плотности и скорости соответствовало параметрам, установленным двухжидкостной моделью Ландау, теорией, разработанной для сверхтекучего гелия в 1940-х годах. В значительной степени кажется, что когда дело доходит до установок с квантовым газом, применяются те же правила.
«Эти наблюдения демонстрируют все ключевые особенности двухжидкостной теории для сильно сжимаемого газа», — пишут исследователям в их опубликованной статье.
Мы бы сказали, не пытайтесь повторить это дома, но мы сомневаемся, что вы сможете: в этом эксперименте ученые охладили газ атомов калия менее чем до миллионная доля градуса выше абсолютного нуля, атомы задерживаются в вакуумной камере.
Это частично сформировало то, что известно как конденсат Бозе-Эйнштейна, где так мало энергии, что атомы почти не двигаются и не взаимодействуют друг с другом. . Затем взаимодействия были искусственно усилены, так что газ стал гидродинамическим — другими словами, больше похожим на жидкость.
Но поскольку конденсат Бозе-Эйнштейна по-прежнему сохранял высокую сжимаемость — как и воздух — он все еще был газ. Вместо двух жидкостей с несколько разными свойствами установка создавала сконденсированный и неконденсированный газ в одной, способной передавать две скорости звука.
«Мы наблюдали и первый, и второй звук в трехмерном сверххолодном бозе-анализе. газ, который достаточно сильно взаимодействует, чтобы быть гидродинамическим, но все еще хорошо сжимаемый», — пишут исследователи.
«Мы обнаружили, что двухжидкостная теория Ландау отражает все существенные черты этой системы, с первой и вторая звуковая мода, соответственно, с преобладанием колебаний нормальной и сверхтекучей составляющих.»
Жидкости и газы становятся квантовыми, когда они начинают проявлять квантово-механические свойства — они начинают подчиняться другому набору законов по сравнению с теми, которые управляют классической физикой Вселенной.
В данном случае квантовая природа газа объясняет пару звуков – один типичная волна сжатых частиц, другой – флуктуации тепла, которые действуют как частицы.
Все это подпитывает наши знания о квантовой гидродинамике, по сути, об изучении жидкостей в этом квантовом состоянии.
Квантовую область трудно понять, и понимание как это будет полезно для будущих исследований и наблюдений.
Как это часто бывает, это примечательное новшество — впервые было показано, как звук движется с двумя разными скоростями в квантовом газе — послужит трамплином для других типов исследований и экспериментов в последующие годы. приходите.
«Экспериментальный доступ как к микроскопическим, так и к гидродинамическим свойствам дает прекрасную возможность для дальнейшего изучения бозе-жидкостей. В частности, было бы интересно исследовать более низкие температуры», – пишут исследователи.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
