Dans la plupart des matériaux, la chaleur préfère se disperser. S’il est laissé seul, un point chaud disparaîtra progressivement à mesure qu’il réchauffe son environnement. Mais dans de rares états de la matière, la chaleur peut se comporter comme une onde, se déplaçant d’avant en arrière un peu comme une onde sonore qui rebondit d’un bout à l’autre d’une pièce. En fait, cette chaleur ondulatoire est ce que les physiciens appellent le « second son ».
Des signes de second son n’ont été observés que dans une poignée de matériaux. Aujourd'hui, les physiciens du MIT ont capturé pour la première fois des images directes d'un deuxième son.
Les nouvelles images révèlent comment la chaleur peut se déplacer comme une vague et « clapoter » d'avant en arrière, même si la matière physique d'un matériau peut se déplacer d'une manière totalement différente. Les images capturent le pur mouvement de la chaleur, indépendant des particules d'un matériau.
"C'est comme si vous aviez un réservoir d'eau et que vous en faisiez presque bouillir la moitié", propose le professeur adjoint Richard Fletcher par analogie. "Si vous observez ensuite, l'eau elle-même peut paraître totalement calme, mais tout d'un coup, l'autre côté est chaud, puis l'autre côté est chaud, et la chaleur va et vient, tandis que l'eau semble totalement immobile."
Dirigée par Martin Zwierlein, professeur de physique Thomas A Frank, l'équipe a visualisé un deuxième son dans un superfluide, un état spécial de la matière créé lorsqu'un nuage d'atomes est refroidi à des températures extrêmement basses, moment auquel les atomes commencent à circuler. comme un fluide totalement sans friction. Dans cet état superfluide, les théoriciens ont prédit que la chaleur devrait également circuler comme une vague, même si les scientifiques n'avaient pas pu observer directement le phénomène jusqu'à présent.
Les nouveaux résultats, rapportés dans la revue Science , aidera les physiciens à avoir une idée plus complète de la façon dont la chaleur se déplace à travers les superfluides et autres matériaux associés, notamment les supraconducteurs et les étoiles à neutrons.
"Il existe des liens étroits entre notre bouffée de gaz, qui est un million de fois plus fine que l'air, et le comportement des électrons dans les supraconducteurs à haute température, et même des neutrons dans les étoiles à neutrons ultradenses", explique Zwierlein. "Nous pouvons désormais sonder parfaitement la réponse thermique de notre système, ce qui nous apprend des choses très difficiles à comprendre ou même à atteindre."
Les co-auteurs de l'étude de Zwierlein et Fletcher sont le premier auteur et ancien étudiant diplômé en physique, Zhenjie Yan, et les anciens étudiants diplômés en physique Parth Patel et Biswaroop Mikherjee, ainsi que Chris Vale de l'Université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie. Les chercheurs du MIT font partie du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA).
Lorsque les nuages d’atomes sont ramenés à des températures proches du zéro absolu, ils peuvent passer à des états rares de la matière. Le groupe de Zwierlein au MIT explore les phénomènes exotiques qui émergent parmi les atomes ultrafroids, et plus particulièrement les fermions, des particules comme les électrons qui s'évitent normalement.
Dans certaines conditions, cependant, les fermions peuvent interagir fortement et s'apparier. Dans cet état couplé, les fermions peuvent circuler de manière non conventionnelle. Pour leurs dernières expériences, l'équipe utilise des atomes de lithium-6 fermioniques, qui sont piégés et refroidis à des températures de l'ordre du nanokelvin.
En 1938, le physicien László Tisza a proposé un modèle à deux fluides pour la superfluidité :un superfluide est en fait un mélange d'un fluide normal et visqueux et d'un superfluide sans friction. Ce mélange de deux fluides devrait permettre la production de deux types de sons, des ondes de densité ordinaires et des ondes de température particulières, que le physicien Lev Landau nommera plus tard « deuxième son ».
Puisqu'un fluide se transforme en superfluide à une certaine température critique ultra-froide, l'équipe du MIT a estimé que les deux types de fluides devraient également transporter la chaleur différemment :dans les fluides normaux, la chaleur devrait se dissiper comme d'habitude, alors que dans un superfluide, elle pourrait se déplacer comme d'habitude. une onde, semblable au son.
"Le deuxième son est la marque de la superfluidité, mais jusqu'à présent, dans les gaz ultrafroids, vous ne pouviez le voir que dans ce faible reflet des ondulations de densité qui l'accompagnent", explique Zwierlein. "Le caractère de la canicule n'a pu être prouvé auparavant."
Zwierlein et son équipe ont cherché à isoler et à observer un deuxième son, le mouvement ondulatoire de la chaleur, indépendant du mouvement physique des fermions dans leur superfluide. Pour ce faire, ils ont développé une nouvelle méthode de thermographie :une technique de cartographie thermique. Dans les matériaux conventionnels, on utiliserait des capteurs infrarouges pour imager les sources de chaleur.
Mais à des températures ultra-froides, les gaz n’émettent pas de rayonnement infrarouge. Au lieu de cela, l’équipe a développé une méthode permettant d’utiliser la radiofréquence pour « voir » comment la chaleur se déplace à travers le superfluide. Ils ont découvert que les fermions lithium-6 résonnent à différentes fréquences radio en fonction de leur température :lorsque le nuage est à des températures plus chaudes et transporte plus de liquide normal, il résonne à une fréquence plus élevée. Les régions du nuage les plus froides résonnent à une fréquence plus basse.
Les chercheurs ont appliqué une radiofréquence de résonance plus élevée, ce qui a incité tous les fermions normaux et « chauds » présents dans le liquide à sonner en réponse. Les chercheurs ont ensuite pu se concentrer sur les fermions résonnants et les suivre au fil du temps pour créer des « films » révélant le mouvement pur de la chaleur :un va-et-vient semblable à des ondes sonores.
"Pour la première fois, nous pouvons prendre des photos de cette substance pendant que nous la refroidissons à la température critique de la superfluidité, et voir directement comment elle passe du statut de fluide normal, où la chaleur s'équilibre de manière ennuyeuse, à un superfluide où la chaleur circule d'avant en arrière. ", dit Zwierlein.
Ces expériences marquent la première fois que les scientifiques sont capables d'imager directement un deuxième son et le mouvement pur de la chaleur dans un gaz quantique superfluide.
Les chercheurs prévoient d'étendre leurs travaux pour cartographier plus précisément le comportement de la chaleur dans d'autres gaz ultra-froids. Ensuite, ils affirment que leurs découvertes peuvent être étendues pour prédire comment la chaleur circule dans d'autres matériaux à forte interaction, comme dans les supraconducteurs à haute température et dans les étoiles à neutrons.
"Nous serons désormais en mesure de mesurer précisément la conductivité thermique de ces systèmes et espérons comprendre et concevoir de meilleurs systèmes", conclut Zwierlein.
Plus d'informations : Zhenjie Yan et al, Thermographie de la transition superfluide dans un gaz de Fermi en interaction forte, Science (2024). DOI :10.1126/science.adg3430. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3430
Informations sur le journal : Sciences
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.
