I gas quantistici superfluidi si riscaldano da un lato all’altro, propagandosi essenzialmente come un’onda. Gli scienziati chiamano questo comportamento second sound, ovvero “secondo suono”, del materiale (il primo è il suono ordinario attraverso un’onda di densità). Sebbene questo fenomeno sia già stato osservato in precedenza, non è mai stato ripreso.
Recentemente tuttavia, gli studiosi del Massachusetts Institute of Technology (MIT) sono stati finalmente in grado di catturare questo movimento di calore puro sviluppando un nuovo metodo di termografia (noto anche come mappatura del calore).
Second sound: segno distintivo della superfluidità
Nel mondo dei materiali comuni e quotidiani, il calore tende a diffondersi da una fonte localizzata. Metti un carbone ardente in una pentola piena d’acqua e quel liquido aumenterà lentamente la sua temperatura prima che il suo calore si dissipi. Ma il mondo è pieno di materiali rari e insoliti che non rispettano esattamente queste regole termiche.
I risultati di questo studio sono stati pubblicati sulla rivista Science e, in un comunicato stampa universitario che ha evidenziato il risultato della ricerca, il Professore assistente e coautore del MIT Richard Fletcher ha continuato l’analogia con la pentola bollente per descrivere la stranezza intrinseca del second sound nei suoni superfluidi e particolari.
“È come se avessi un serbatoio d’ acqua e ne facessi metà quasi bollente“, ha detto Fletcher: “Se poi guardassi, l’acqua stessa potrebbe sembrare totalmente calma, ma all’improvviso l’altro lato è caldo, e poi l’altro lato è caldo, e il calore va avanti e indietro, mentre l’acqua sembra totalmente ferma“.
Questi superfluidi vengono creati quando una nuvola di atomi viene sottoposta a temperature ultrafredde vicine allo zero assoluto (-459,67 ° F). In questo raro stato, gli atomi si comportano diversamente, poiché creano un fluido essenzialmente privo di attrito. È in questo stato senza attrito che si teorizza che il calore si propaghi come un’onda.
“Il second sound è il segno distintivo della superfluidità, ma nei gas ultrafreddi finora è stato possibile vederlo solo in questo debole riflesso delle increspature di densità che lo accompagnano“, ha spiegato l’autore principale Martin Zwierlein: “La natura dell’ondata di caldo non poteva essere dimostrata prima”.
Per catturare finalmente il second sound in azione, Zweierlein e il suo team hanno dovuto pensare fuori dai soliti schemi termici, poiché c’è un grosso problema nel cercare di tracciare il calore di un oggetto ultrafreddo: non emette la solita radiazione infrarossa. Pertanto, gli scienziati del MIT hanno progettato un modo per sfruttare le radiofrequenze per tracciare alcune particelle subatomiche note come “fermioni di litio-6”, che possono essere catturate tramite frequenze diverse in relazione alla loro temperatura, cioè temperature più calde significano frequenze più alte e viceversa.
Questa nuova tecnica ha permesso ai ricercatori di concentrarsi essenzialmente sulle frequenze “più calde”,che erano ancora molto fredde, e di monitorare la seconda onda risultante nel tempo.
Questo potrebbe sembrare un grande “e allora?” Dopotutto, quando è stata l’ultima volta che hai avuto un incontro ravvicinato con un gas quantistico superfluido? Ma chiedi a uno scienziato dei materiali o a un astronomo e otterrai una risposta completamente diversa.
Anche se i superfluidi potrebbero non riempire le nostre vite (ancora), comprendere le proprietà del movimento del second sound potrebbe aiutare a rispondere alle domande riguardanti i superconduttori ad alta temperatura (di nuovo, ancora a temperature molto basse) o la fisica disordinata che si trova nel cuore delle stelle di neutroni.
Da dove deriva il termine second sound?
Il termine “second sound” è stato coniato dal fisico sovietico Lev Landau negli anni ’40 dopo che il suo collega László Tisza ha suggerito che le particolari proprietà dell’elio liquido potessero essere spiegate considerandolo come una miscela di due fluidi: un fluido normale e un superfluido che scorreva senza attrito.
Questa disposizione ha dato luogo alla possibilità che, se il superfluido e il fluido normale scorrono in direzioni opposte, il materiale non subirà alcun disturbo apparente, ma il calore lo attraverserà comunque come un’onda mentre il fluido normale e il superfluido si scambiano.
Poco dopo, un altro fisico sovietico, Vasilii Peshkov, lo ha confermato sperimentalmente: “Peshkov era letteralmente in grado di riscaldare periodicamente il superfluido su un lato e misurare che il calore era distribuito come un’onda stazionaria nel suo contenitore“, ha affermato Martin Zwierlein, un fisico del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Nel 21° secolo, fisici come Zoran Hadzibabic dell’Università di Cambridge, Regno Unito, Deborah Jin del JILA a Boulder, negli Stati Uniti e Wolfgang Ketterle del MIT, hanno introdotto una nuova dimensione nella seconda ricerca sul suono dimostrando che anche i condensati di Bose-Einstein e i gas di Fermi fortemente interagenti mostrano proprietà superfluide.
Nel 2013 Rudolf Grimm del Center for Ultracold Atoms and Quantum Gases di Innsbruck, in Austria, è stato il primo a osservare il second sound in un sistema del genere: “Grimm non ha potuty vedere il calore, ma ogni volta che si ha un gradiente di calore in un gas c’è anche un relativo gradiente di densità perché il gas è comprimibile“, ha spiegato Zwierlein: “C’era un’onda di densità che viaggiava ad una velocità molto più lenta della velocità del suono normale e che era associata al second sound”.
Hadzibabic, che non ha partecipato allo studio del second sound, è impressionato: “Non solo riescono a ottenere un’ottima termometria al di sotto di un nanokelvin, il che è difficile anche se la temperatura è la stessa ovunque, ma possono anche farlo localmente, il che è fondamentale per vedere quest’onda”.
“Quindi possono dire che qui è mezzo nanokelvin più caldo e qui, a 20 micron di distanza, è mezzo nanokelvin più freddo“. L’esperto ha dichiarato che non vede l’ora di vedere la tecnica applicata: “In sistemi di cui sappiamo molto meno e dove l’intero sistema è lontano dall’equilibrio”.
