۸ سپتامبر ۲۰۲۵-عکس از نویسنده: آتاروا گوساوی-دماسنج عقربه‌ای.ویکی‌مدیا کامنز
فیزیکدانان دانشگاه MIT با ثبت یک اثر کوانتومی عجیب به نام «صدای دوم» روی فیلم، به یک شاهکار بزرگ دست یافته‌اند، که در آن گرما به جای پخش تدریجی، مانند یک موج در ماده حرکت می‌کند. این پدیده که اولین بار در سال ۱۹۳۸ پیش‌بینی شد، بیش از ۹۰ سال – تا به امروز – از مشاهده مستقیم آن انجام نشده بود.
این یافته‌ها روش جدیدی را برای مطالعه حالت‌های شدید ماده ارائه می‌دهند. محققان گفته‌اند که این پیشرفت می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای داشته باشد – از اصلاح مدل‌های ستاره‌های نوترونی گرفته تا تسریع تلاش برای ابررساناهای دمای بالای کاربردی.
در شرایط عادی، گرما به سادگی پخش می‌شود. با این حال، در حالت‌های کوانتومی مانند ابرسیال‌ها، رفتار متفاوتی دارد. به جای پخش شدن، مانند یک موج صوتی پالس می‌کند و به جلو و عقب می‌پرد در حالی که سیال اطراف ثابت می‌ماند.
پروفسور مارتین زویرلین، توسعه‌دهنده این روش، توضیح داد: “این مشخصه ابرسیال است، اما تاکنون، ما فقط می‌توانستیم آن را به طور غیرمستقیم تشخیص دهیم.”
چالش اصلی در این آزمایش در اندازه‌گیری بود. آزمایش‌هایی از این نوع نیاز به گازهایی دارند که تا دمای صفر مطلق سرد شده‌اند. دما باید آنقدر پایین باشد که اتم‌ها هیچ تابش مادون قرمز ساطع نکنند و تصویربرداری حرارتی سنتی را بی‌اثر کنند.
برای غلبه بر این مانع، تیم MIT از اتم‌های لیتیوم-۶، یک ایزوتوپ نادر که فرکانس رزونانس آن بسته به دما تغییر می‌کند، استفاده کرد. محققان با اعمال امواج رادیویی با تنظیم دقیق، موفق شدند اتم‌های گرم‌تر را به رزونانس وادارند و به طور مؤثر امکان ردیابی حرکت گرما در سراسر گاز را فراهم کنند.
این روش نوآورانه اولین نمونه از صدای دوم را در عمل ایجاد کرد و امواج گرما را که مانند ارتعاشات صوتی به جلو و عقب موج می‌زدند، آشکار کرد.
ریچارد فلچر، نویسنده همکار، گفت: “برای اولین بار، ما واقعاً می‌توانیم از این ماده در حالی که به یک ابرشاره تبدیل می‌شود، عکس بگیریم. ما می‌توانیم به معنای واقعی کلمه گذار آن را از یک سیال معمولی به یک سیال کوانتومی تماشا کنیم.”
این روش جدید مزایای آشکاری دارد، از جمله تجسم بلادرنگ انتشار گرما، دقت دمایی بی‌سابقه و قابلیت اطمینان در شرایط سخت که در آن ترموگرافی سنتی شکست می‌خورد.فراتر از حل یک راز چند دهه‌ای، توانایی مشاهده صدای دوم ابزارهای قدرتمندی را برای رشته‌های مختلف ارائه می‌دهد.
در اخترفیزیک، ستاره‌های نوترونی به داشتن لایه‌های ابرشاره وسیع معروف هستند. درک چگونگی انتشار گرما در چنین حالت‌هایی ممکن است مدل‌های تکامل و ساختار داخلی آنها را بهبود بخشد.
در روی زمین، این یافته‌ها ممکن است به تحقیقات در مورد ابررسانایی کمک کند. ابررساناهای دمای بالا مدت‌هاست که به عنوان «جام مقدس» فناوری انرژی، با کاربردهای بالقوه در انتقال قدرت بدون اتلاف، شناوری مغناطیسی و محاسبات پیشرفته، در نظر گرفته می‌شوند.
زویرلین گفت: «ابر گازی ما یک میلیون برابر کمتر از هوا متراکم است، اما رفتار آن بسیار شبیه به نحوه عملکرد الکترون‌ها در ابررساناها است. این امر آن را به یک سیستم خارق‌العاده برای مطالعه تبدیل می‌کند.»
محققان MIT قصد دارند رویکرد خود را برای مطالعه سایر مواد کوانتومی تحت شرایط حتی شدیدتر گسترش دهند. کارهای آینده به بررسی چگونگی تعامل صدای دوم با اثرات کوانتومی اضافی، با هدف توسعه مدل‌های پیش‌بینی‌کننده برای ترکیبات ابررسانای جدید، خواهد پرداخت.
ثبت مستقیم صدای دوم نشان می‌دهد که حتی پیش‌بینی‌های نظری دیرینه در فیزیک نیز ممکن است در نهایت به پشتکار و نبوغ منجر شوند.این کشف به دانشمندان راهی جدید برای مطالعه اثرات پنهان در طبیعت می‌دهد و به ما کمک می‌کند تا جهان را بهتر درک کنیم و فناوری‌های انرژی آینده را توسعه دهیم.
