(MirageC/Moment/Getty Images) Nach vorheriger Untersuchung der Phänomene von zwei Schallwellen In Quantenflüssigkeiten haben Wissenschaftler nun beobachtet, dass sich Schall in einem Quantengas mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt.
Wenn Sie irgendwie in das dreidimensionale Gas eingetaucht wären, das für diese Studie verwendet wurde, würden Sie jeden Ton zweimal hören: Jeder einzelne Ton wird von zwei verschiedenen Schallwellen getragen, die sich mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen.
Dies ist eine wichtige Entwicklung auf dem Gebiet der Superfluidität – Flüssigkeiten ohne Viskosität, die ohne Energieverlust fließen können.
Bemerkenswerterweise stimmte das beobachtete Verhalten des Gases in Bezug auf Dichte und Geschwindigkeit mit den festgelegten Parametern überein Landaus Zwei-Flüssigkeits-Modell , eine Theorie, die in den 1940er Jahren für supraflüssiges Helium entwickelt wurde. Es scheint, dass bei Quantengasaufbauten weitgehend die gleichen Regeln gelten.
„Diese Beobachtungen demonstrieren alle Schlüsselmerkmale der Zwei-Fluid-Theorie für ein hoch komprimierbares Gas“, schreiben die Forscher in ihrem veröffentlichtes Papier .
Wir würden sagen, probieren Sie das nicht zu Hause aus, aber wir bezweifeln, dass Ihnen das gelingt: Bei diesem Experiment kühlten die Wissenschaftler ein Gas aus Kaliumatomen auf weniger als ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab und hielten die Atome in einem Vakuum fest Kammer.
Dies bildete teilweise das sogenannte a Bose-Einstein-Kondensat , wo so wenig Energie vorhanden ist, dass sich die Atome kaum bewegen oder interagieren. Die Wechselwirkungen wurden dann künstlich verstärkt, sodass das Gas hydrodynamisch wurde – also eher einer Flüssigkeit ähnelte.
Aber wie die Bose-Einstein-Kondensat hatte immer noch eine hohe Kompressibilität – genau wie Luft – und war immer noch ein Gas. Anstelle von zwei Flüssigkeiten mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften erzeugte der Aufbau ein kondensiertes und ein nicht kondensiertes Gas in einem, das zwei Schallgeschwindigkeiten übertragen kann.
„Wir haben sowohl den ersten als auch den zweiten Schall in einem 3D-ultrakalten Bose-Gas beobachtet, das ausreichend stark wechselwirkt, um hydrodynamisch zu sein, aber immer noch hoch komprimierbar ist.“ schreiben die Forscher .
„Wir haben herausgefunden, dass Landaus Zwei-Flüssigkeits-Theorie alle wesentlichen Merkmale dieses Systems erfasst, wobei der erste bzw. zweite Schallmodus überwiegend Schwingungen der normalen und der supraflüssigen Komponente aufweist.“
Flüssigkeiten und Gase werden zu Quanten, wenn sie beginnen, quantenmechanische Eigenschaften zu zeigen – sie gehorchen anderen Gesetzen als denen, die die klassische Physik des Universums regeln.
In diesem Fall erklärt die Quantennatur des Gases das Geräuschpaar – einer ist eine typische Welle komprimierter Teilchen, der andere Wärmeschwankungen, die wie Teilchen wirken.
All dies fließt in unser Wissen über Quantenhydrodynamik ein, im Wesentlichen die Untersuchung von Flüssigkeiten in diesem Quantenzustand.
Der Quantenbereich ist schwer zu verstehen und Erkenntnisse wie diese werden für zukünftige Forschungen und Beobachtungen nützlich sein.
Wie so oft wird diese bemerkenswerte Premiere – der erste Nachweis, dass sich Schall in einem Quantengas mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt – als Sprungbrett für andere Arten von Forschung und Experimenten in den kommenden Jahren dienen.
„Der experimentelle Zugang sowohl zu mikroskopischen als auch zu hydrodynamischen Eigenschaften bietet eine hervorragende Gelegenheit für weitere Untersuchungen von Bose-Flüssigkeiten.“ „Insbesondere wäre es interessant, niedrigere Temperaturen zu erforschen“, schreiben die Forscher .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .