Tim istraživača po prvi je put izravno promatrao toplinski fenomen koji nikada ranije nije bio viđen u stvarnom vremenu, potvrđujući postojanje onoga što sada nazivaju drugim zvukom—iznimno neobičnog načina na koji se toplina kreće kroz određene ultra-hladne materijale. Za razliku od tipičnih tvari, gdje se toplina širi prema van i postupno raspršuje, u superfluidnim kvantnim plinovima toplina se prenosi u ritmičnim valovima, krećući se naprijed-natrag, slično zvučnim valovima koji prolaze kroz zrak.
Ovo značajno otkriće, koje su ostvarili znanstvenici s Massachusetts Institute of Technology (MIT) i objavili u časopisu Science, predstavlja velik korak naprijed u razumijevanju kvantnih materijala, s mogućim primjenama u superprovodnicima, prijenosu energije i astrofizici.
Novo razumijevanje prijenosa topline
U konvencionalnim materijalima, toplinska energija se postupno širi iz toplijeg područja prema hladnijem, slično tome kako šalica kave s vremenom gubi toplinu u okolinu. Međutim, u superfluidnim kvantnim plinovima standardna pravila termalne vodljivosti ne vrijede. Umjesto nasumičnog širenja, toplina se kreće u organiziranim valovima, što znanstvenici nazivaju drugim zvukom.
Richard Fletcher, docent fizike na MIT-u, objašnjava ovu pojavu jednostavnom analogijom:
“Zamislite spremnik vode u kojem je jedna polovica gotovo kipuća. No, umjesto da toplina postupno zagrije ostatak vode, temperatura naglo preskače s jedne strane na drugu, krećući se naprijed-natrag, dok voda izvana izgleda potpuno mirno.”
Ova neobična pojava događa se u superfluidnim stanjima, kada se plinovi ohlade na temperature blizu apsolutne nule (-273,15°C). U takvim ekstremnim uvjetima, atomi se kreću sinkronizirano, tvoreći trenjem oslobođenu tekućinu, u kojoj toplina ne slijedi klasične zakone širenja, već se prenosi u valovima.
Kako snimiti nevidljivi fenomen?
Iako su fizičari već ranije teorijski predvidjeli i neizravno mjerili drugi zvuk, nitko ga do sada nije uspio izravno vizualizirati. Jedan od glavnih problema bio je taj što ultra-hladni kvantni plinovi ne emitiraju infracrveno zračenje, zbog čega su standardne tehnike mapiranja topline bile neučinkovite.
Kako bi riješili ovaj izazov, znanstvenici s MIT-a razvili su potpuno novu metodu praćenja pomoću radio-frekvencija. Umjesto infracrvenog zračenja, pratili su litij-6 fermione—subatomske čestice čija se frekvencija mijenja ovisno o temperaturi. Pažljivim mjerenjem ovih promjena, tim je uspio pratiti širenje topline u stvarnom vremenu, što je omogućilo prvo izravno snimanje drugog zvuka.
Što ovo otkriće znači za znanost i tehnologiju?
Iako se fenomen drugog zvuka može činiti udaljenim od svakodnevnih tehnologija, njegova važnost seže daleko izvan laboratorija. Ova pojava igra ključnu ulogu u:
- Superprovodnicima – Razumijevanje kako se toplina kreće kroz egzotične materijale moglo bi omogućiti razvoj materijala koji provode struju bez otpora.
- Kvantnim računalima – Poboljšane tehnike upravljanja toplinom mogle bi dovesti do učinkovitijih sustava hlađenja za kvantne procesore.
- Astrofizici – Neutronske zvijezde pokazuju ekstremne uvjete slične superfluidnim stanjima, što znači da bi ovo istraživanje moglo pomoći u razumijevanju njihovih unutarnjih procesa.
Vodeći istraživač Martin Zwierlein naglasio je značaj ovog otkrića:
“Drugi zvuk je ključni pokazatelj superfluidnosti, no u ultrahladnim plinovima do sada se mogao vidjeti samo u nejasnim tragovima valova gustoće koji ga prate. Karakter toplinskog vala nikada nije bio dokazan—sve do sada.”
S ovim ključnim napretkom, znanstvenici sada planiraju istražiti kako se takozvani drugi zvuk ponaša u različitim materijalima i uvjetima. Buduća istraživanja usmjerit će se na praktične primjene ovog fenomena, posebno u području kvantnih materijala, superprovodnika i istraživanja svemira.
Po prvi put snimljen drugi zvuk otvorio je nova saznanja o prijenosu topline, što bi moglo dovesti do revolucionarnih promjena u upravljanju energijom unutar naprednih tehnologija budućnosti.
