MIT-Wissenschaftler haben zum ersten Mal Anzeichen eines „zweiten Klangs“ direkt in einer Supraflüssigkeit erfasst. Das bizarre Phänomen tritt auf, wenn sich Wärme wie Schallwellen durch einen ungewöhnlichen Materiezustand ausbreitet. In unserer täglichen Erfahrung entweicht Wärmeenergie an die Umgebung. Das heißere Objekt kühlt auf die Temperatur anderer Materialien in der Nähe ab und erhitzt diese, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Bei unkonventionellen Materialien kann die Physik jedoch auf kontraintuitive Weise wirken.
Ein Superfluid ist ein seltener Materiezustand, der keine Viskosität aufweist, was bedeutet, dass Materie ohne Widerstand oder Reibung fließen kann. Es wurde schon lange vorhergesagt, dass Wärme in Supraflüssigkeiten wie Schallwellen fließen kann, daher der Name „zweiter Schall“, direkt beobachtet wurde dies jedoch bisher nicht.
„Es ist, als ob man einen Tank mit Wasser hätte und die Hälfte davon fast zum Kochen bringen würde“, sagte Studienautor Richard Fletcher, ein Assistenzprofessor. „Wenn man dann hinschaut, sieht das Wasser selbst vielleicht völlig still aus, aber dann wird plötzlich die andere Seite heiß, und dann wird die andere Seite wieder heiß, und die Wärme fließt hin und her, während das Wasser völlig still aussieht.“
Um dieses Phänomen darzustellen, mussten Forscher eine völlig neue Methode zur Wärmeerkennung entwickeln. Typischerweise würden Infrarotsensoren verwendet, aber die Erzeugung eines Superfluids erfordert die Abkühlung des Quantengases auf nahezu den absoluten Nullpunkt, und bei so niedrigen Temperaturen wird keine Infrarotstrahlung emittiert. Also wandte sich das Team dem Radio zu.
Die Forscher verwendeten ein Quantengas aus Lithium-6-Fermionen und stellten fest, dass die Frequenz, mit der sie schwingen, umso höher ist, je höher die Temperatur dieser Fermionen ist. Das Team wendete höhere Radiofrequenzen an das Gas an, wodurch die darin enthaltenen heißeren Fermionen als Reaktion darauf in Resonanz gerieten. Durch die Verfolgung, welche Fermionen zu unterschiedlichen Zeiten schwingen, können Wissenschaftler den „zweiten Ton“ erfassen, wenn die Hitzewellen hin und her schwingen.
Martin Zwierlein, Erstautor der Studie, sagte: „Zum ersten Mal können wir Bilder dieser Substanz machen, während sie auf die kritische Temperatur des Superfluids abkühlt, und direkt sehen, wie sie von einem gewöhnlichen Fluid mit einem langweiligen thermischen Gleichgewicht zu einem Suprafluid mit hin- und hergleitender Wärme wechselt.“
Das Team sagt, die Beobachtung dieses seltsamen Phänomens könnte Wissenschaftlern helfen, die Wärmeleitfähigkeit in selteneren Materiezuständen, einschließlich Supraleitern und Neutronensternen, besser zu verstehen, und ihnen damit wiederum dabei helfen, bessere Systeme zu entwerfen.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.