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物理学家捕捉到“完美”液体的声音

物理学家捕捉到“完美”液体的声音

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2020-12-04 19:41:40


 来源于:PHYS

麻省理工学院的 Jennifer Chu


麻省理工学院的物理学家在实验室中创造了一种完美的液体,并记录了这种“完美流动”的声音.png

 


麻省理工学院的物理学家在实验室中创造了一种完美的液体,并记录了这种“完美流动”的声音。声音通过这种流体传播的方式可用于计算中子星和其他理想流体中的声音以及“量子摩擦”。图片来源:麻省理工学院的Christine Daniloff

 

对于某些人来说,“完美流动”的声音可能是森林小溪的轻轻打磨,或者是投手倒出的水的叮叮当叫。对于物理学家来说,完美的流动更为具体,是指以量子力学定律所允许的最小摩擦或粘度流动的流体。这种完美的流体行为在自然界中是罕见的,但据认为发生在中子星的核心和早期宇宙的浓浆中。

现在,麻省理工学院的物理学家已经在实验室中创建了一种完美的流体,并聆听了声波如何在其中传播。该记录是的滑音的产物波,该小组通过被称为费米子基本粒子的仔细控制的气体发送。可以听到的音调是气体像弹拨弦一样共振的特定频率。

研究人员分析了数千种声波在气体中的传播,以测量其“声扩散”或声音在气体中的扩散速度,这与材料的粘度或内部摩擦力直接相关。

令人惊讶地,他们发现流体的声音扩散是如此之低,以至于被称为“普朗克常数”的自然常数和流体中各个费米子的质量所给出的“量子”摩擦力来描述。

这个基本值证实了相互作用力强的费米子气体表现得很完美,并且具有普遍性。今天发表在《科学》(Science)杂志上的结果表明,科学家们首次能够测量完美流体中的声音扩散。

科学家现在可以将流体用作其他更复杂的理想流动的模型,以估算早期宇宙中等离子体的粘度以及中子星内部的量子摩擦,而这些本来是无法计算的。科学家甚至可能能够大致预测他们发出的声音。

麻省理工学院的托马斯·弗朗克物理学教授马丁·兹维林说:“听中子星非常困难。” “但是现在您可以在实验室中使用原子模仿它,摇动原子汤并听取它,并知道中子星会如何发声。”

尽管中子星和团队的气体在大小和声音传播速度方面存在很大差异,但通过一些粗略的计算,Zwierlein估计,该恒星的共振频率将类似于气体的共振频率,甚至可以听到。您可以使耳朵紧贴而不会因重力而裂开。”他补充道。

Zwierlein的合著者是MIT哈佛大学超冷原子中心的主要作者Parth Patel,Yanjie Yan,Biswaroop Mukherjee,Richard Fletcher和Julian Struck。

轻按,聆听,学习

为了在实验室中创造出完美的流体,Zwierlein的团队产生了一种强烈相互作用的费米子气体-诸如电子,质子和中子等元素粒子,它们被认为是所有物质的基础。一个费米子由其半整数自旋定义,该特性可防止一个费米子与另一附近的费米子发生相同的自旋。这种排他性使元素周期表中原子结构的多样性得以实现。

Zwierlein说:“如果电子不是费米子,而是快乐地处于相同的状态,那么氢,氦和所有原子以及我们自己都会看起来一样,就像一些可怕的无聊的汤一样。”

费米子自然喜欢彼此分开。但是,当它们强烈相互作用时,它们可以表现为完美的流体,粘度非常低。为了制造出如此完美的流体,研究人员首先使用激光系统捕获了被认为是费米子的锂6原子气体。

研究人员精确地配置了激光器,以在费米子气体周围形成一个光学盒。调整激光器,使得只要费米子撞到盒子的边缘,它们就会弹回到气体中。而且,费米子之间的相互作用被控制为量子力学所允许的最大强度,因此在盒子内,费米子在每次相遇时都必须相互碰撞。这使费米子变成了完美的液体。

Zwierlein说:“我们必须制造一种密度均匀的流体,然后才可以在一侧轻敲,聆听另一侧,并从中学习。” “到达这个地方,我们似乎可以自然地使用声音,实际上是很困难的。”

“以完美的方式流动”

然后,该团队只需简单地改变其中一面墙的亮度,即可通过光学盒的一侧发出声波,从而以特定的频率通过流体产生类似于声音的振动。他们记录了数千个流体的快照,每个声波都在波动。

Zwierlein说:“所有这些快照共同为我们提供了超声波检查图,这有点像在医生办公室进行超声波检查时所做的事情。”

最后,他们能够观察到响应每种声波的流体密度波动。然后,他们寻找在液体中产生共鸣或放大声音的声音频率,类似于在酒杯上唱歌并找出声音破裂的频率。

Zwierlein解释说:“共振的质量告诉我有关液体的粘度或声音扩散性的信息。” “如果流体粘度低,如果以正确的频率撞击,它会产生非常强的声波,而且声音很大。如果流体非常粘稠,那么它就不会产生任何良好的共振。”

根据他们的数据,研究人员观察到通过流体的清晰共振,尤其是在低频下。从这些共振的分布,他们计算出流体的声音扩散。他们发现,也可以很简单地通过普朗克常数和气体中平均费米子的质量来计算该值。

这告诉研究人员,气体是一种完美的流体,本质上是基本的:它的声音扩散以及因此的粘度处于量子力学设定的最低限度。

Zwierlein说,除了使用该结果来估计更奇特的物质(例如中子星)中的量子摩擦外,该结果还有助于理解如何制作某些材料以表现出完美的超导流。

Zwierlein说:“这项工作直接与材料的抵抗力有关。” “弄清楚气体中最低的电阻是什么,可以告诉我们材料中的电子会发生什么,以及如何使材料以最佳的方式流过电子。这令人兴奋。”


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