Escolteu el Superfluid MIT que els científics han modelat per emular el so d’una estrella de neutrons

Totes Les Novetats

Per a alguns, el so d'un 'cabal perfecte' pot ser el suau tomb d'un rierol del bosc o, potser, el tintinet d'aigua que surt d'un càntir. Per als físics, un flux perfecte és més específic, es refereix a un fluid que flueix amb la menor quantitat de fricció o viscositat, permesa per les lleis de la mecànica quàntica. Un comportament tan perfectament fluid és rar a la naturalesa, però es creu que es produeix en els nuclis de les estrelles de neutrons i en el plasma de sopa de l'univers primerenc.

Ara els físics del MIT han creat un fluid perfecte al laboratori i han comprovat que sona així:


Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT) · Els físics del MIT troben que aquest és el so d’un fluid perfecte

Aquest enregistrament és el producte d’un glissando d’ones sonores que l’equip va enviar a través d’un gas acuradament controlat de partícules elementals conegudes com fermions. Els tocs que es poden escoltar són les freqüències particulars a les quals el gas ressona com una corda arrencada.

Els investigadors van analitzar milers d’ones sonores que viatgen a través d’aquest gas per mesurar la seva 'difusió del so' o la rapidesa amb què el so es dissipa al gas, que està relacionat directament amb la viscositat d'un material o la fricció interna.

Sorprenentment, van trobar que la difusió del so del fluid era tan baixa com per ser descrita per una quantitat de fricció 'quàntica', donada per una constant de la naturalesa coneguda com a constant de Planck i la massa dels fermions individuals del fluid.

Aquest valor fonamental va confirmar que el gas fermió que interactua fortament es comporta com un fluid perfecte i és de naturalesa universal. Els resultats, publicat a la revistaCiència , demostren la primera vegada que els científics han pogut mesurar la difusió del so en un fluid perfecte.


Ara els científics poden utilitzar el fluid com a model d'altres fluxos perfectes més complicats per estimar la viscositat del plasma a l'univers primerenc, així com la fricció quàntica dins de les estrelles de neutrons, propietats que d'una altra manera serien impossibles de calcular. Els científics fins i tot podrien predir aproximadament els sons que fan.

'És bastant difícil escoltar una estrella de neutrons', diu Martin Zwierlein, el professor de física de Thomas A. Frank al MIT en un comunicat . 'Però ara es podria imitar en un laboratori amb àtoms, sacsejar aquesta sopa atòmica i escoltar-la i saber com sonaria una estrella de neutrons'.


COMPROVAR: La seva invenció per a les energies renovables inspirada en la física de la aurora boreal va guanyar el premi Dyson 2020

Tot i que una estrella de neutrons i el gas de l’equip difereixen àmpliament pel que fa a la seva mida i la velocitat a la qual travessa el so, segons alguns càlculs aproximats, Zwierlein estima que les freqüències de ressonància de l’estrella serien similars a les del gas, i fins i tot audibles. podríeu acostar l’orella sense que la gravetat la destrossés ”, afegeix.

Els coautors de Zwierlein són l’autor principal Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher i Julian Struck del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Toca, escolta, aprèn


Per crear un fluid perfecte al laboratori, l’equip de Zwierlein va generar un gas de fermions que interactuen fortament: partícules elementals, com ara electrons, protons i neutrons, que es consideren els components bàsics de tota la matèria. Un fermió es defineix pel seu gir de mig enter, una propietat que impedeix que un fermió assumeixi el mateix gir que un altre fermió proper. Aquesta naturalesa exclusiva és la que permet la diversitat d’estructures atòmiques que es troben a la taula periòdica d’elements.

'Si els electrons no fossin fermions, però estiguessin contents d'estar en el mateix estat, l'hidrogen, l'heli i tots els àtoms, i nosaltres mateixos, tindríem el mateix aspecte, com una sopa terrible i avorrida', diu Zwierlein.

Els fermions, naturalment, prefereixen mantenir-se separats els uns dels altres. Però quan es fa interactuar fortament, es poden comportar com un fluid perfecte, amb una viscositat molt baixa. Per crear un fluid tan perfecte, els investigadors van utilitzar primer un sistema de làsers per atrapar un gas d’àtoms de liti-6, que es consideren fermions.

Els investigadors van configurar amb precisió els làsers per formar una caixa òptica al voltant del gas fermió. Els làsers estaven ajustats de manera que cada vegada que els fermions colpegessin les vores de la caixa tornessin a rebotar al gas. A més, les interaccions entre fermions es controlaven per ser tan fortes com permetia la mecànica quàntica, de manera que dins de la caixa els fermions havien de xocar entre ells en cada trobada. Això va fer que els fermions es convertissin en un fluid perfecte.

'Vam haver de fabricar un fluid amb una densitat uniforme i només llavors vam poder tocar un costat, escoltar l'altre costat i aprendre'n', diu Zwierlein. 'Va ser molt difícil arribar a aquest lloc on podríem utilitzar el so d'aquesta manera aparentment natural'.

'Flueix d'una manera perfecta'

Llavors, l’equip va enviar ones sonores a través d’un costat de la caixa òptica simplement variant la brillantor d’una de les parets, per generar vibracions sonores a través del fluid a freqüències particulars. Van registrar milers d’instantànies del fluid mentre cada ona sonora s’escampava.

'Totes aquestes instantànies juntes ens donen un sonograma, i és una mica com el que es fa en fer una ecografia al consultori del metge', diu Zwierlein.

RELACIONATS: Podríem ser capaços d’aturar els tsunamis a les seves pistes disparant ones sonores

Al final, van ser capaços de veure com la densitat del fluid ondulava en resposta a cada tipus d’ona sonora. Després van buscar les freqüències sonores que generaven una ressonància o un so amplificat en el fluid, similar a cantar a una copa de vi i trobar la freqüència amb què es trenca.

'La qualitat de les ressonàncies em parla de la viscositat del fluid o de la difusió del so', explica Zwierlein. “Si un fluid té una viscositat baixa, pot generar una ona sonora molt forta i ser molt fort, si es colpeja amb la freqüència adequada. Si és un fluid molt viscós, no té bones ressonàncies '.

A partir de les seves dades, els investigadors van observar ressonàncies clares a través del fluid, sobretot a baixes freqüències. A partir de la distribució d’aquestes ressonàncies, van calcular la difusió del so del fluid. Aquest valor, van trobar, també es podria calcular molt senzillament mitjançant la constant de Planck i la massa del fermió mitjà del gas.

Això va dir als investigadors que el gas era un fluid perfecte i de naturalesa fonamental: la seva difusió del so i, per tant, la seva viscositat, es trobaven al límit més baix possible establert per la mecànica quàntica.

Zwierlein diu que, a més d’utilitzar els resultats per estimar la fricció quàntica en matèria més exòtica, com les estrelles de neutrons, els resultats poden ser útils per comprendre com es poden fer que certs materials presentin un flux superconductor perfecte.

MÉS: Austràlia bufa la ment col·lectiva de la ciència traçant 3 milions de galàxies en 300 hores

'Aquest treball es connecta directament amb la resistència dels materials', diu Zwierlein. “Després d’haver esbrinat quina és la resistència més baixa que podríeu tenir d’un gas, ens indica què pot passar amb els electrons dels materials i com es podrien fabricar materials on podrien fluir els electrons d’una manera perfecta. Això és emocionant '.

COMPARTEIX aquesta fascinant història amb els amics a les xarxes socials ...

Font: MIT