Découverte du ‘second son’ : Comment la chaleur se comporte comme un son
Des scientifiques ont capturé pour la première fois des images directes de la chaleur se comportant comme le son — un phénomène elusive appelé ‘ second son ‘. Cette découverte a été réalisée dans un état superfluide d’atomes de lithium-6, grâce à une nouvelle technique de cartographie thermique . Ce phénomène montre la chaleur se déplaçant sous forme d’onde, rebondissant comme le son à l’intérieur de son contenant.
Comprendre comment le second son se déplace pourrait aider les scientifiques à prédire comment la chaleur s’écoule à l’intérieur des étoiles à neutrons ultradenses et des superconducteurs à haute température — l’un des “Saint Graal” de la physique. Le développement de ces matériaux permettrait une transmission d’énergie presque sans pertes. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Science.
Le principe du second son
“C’est comme si vous aviez un réservoir d’eau et que vous rendiez une moitié presque bouillante,” explique Richard Fletcher, co-auteur de l’étude et professeur de physique au Massachusetts Institute of Technology (MIT) . “Si vous regardez, l’eau elle-même peut sembler totalement calme, mais soudain une autre moitié est chaude, puis l’autre moitié devient chaude, et la chaleur va et vient, tandis que l’eau paraît totalement immobile.”
Typiquement, la chaleur se propage à partir d’une source localisée, dissipant lentement à travers un matériau. Cependant, les matériaux exotiques appelés superfluides ne rentrent pas dans cette règle. Créés lorsque des nuages de fermions (qui incluent des protons , neutrons et électrons ) sont refroidis à des températures proches du zéro absolu , les atomes à l’intérieur des superfluides se couplent et voyagent sans friction à travers le matériel.
Les implications du second son
Par conséquent, la chaleur s’écoule différemment à travers le matériau : au lieu de se répandre par le mouvement des particules au sein du fluide, elle oscille d’avant en arrière dans les superfluides comme une onde sonore. Le second son a été prédit pour la première fois par le physicien László Tisza en 1938, mais jusqu’à présent, les techniques de cartographie thermique n’avaient pas permis de l’observer directement.
“Le second son est la marque de fabrique de la superfluidité, mais dans les gaz ultra-froids, on n’a pu le voir jusqu’à présent que dans ce faible reflet des ondulations de densité qui l’accompagnent,” a déclaré Martin Zwierlein , auteur senior de l’étude et professeur de physique au MIT. “Le caractère de l’onde de chaleur n’avait pas pu être prouvé auparavant.”
Une technique révolutionnaire pour la cartographie thermique
Pour capturer le second son, les chercheurs ont dû résoudre un problème complexe lié au suivi du flux de chaleur à l’intérieur des gaz ultra-froids. Ces gaz sont si froids qu’ils ne dégagent pas de radiation infrarouge , sur laquelle se basent les techniques de cartographie thermique classiques.
Les physiciens ont donc développé une méthode pour suivre les paires de fermions à travers leurs fréquences résonantes . Les atomes de lithium-6 résonnent à différentes fréquences radio en fonction de leurs températures, avec des atomes plus chauds vibrant à des fréquences plus élevées.
En appliquant des fréquences radio résonantes correspondantes aux atomes plus chauds, les scientifiques ont pu faire vibrer ces atomes en réponse, leur permettant de suivre le flux des particules image par image. “Pour la première fois, nous pouvons prendre des images de cette substance alors que nous la refroidissons à travers la température critique de la superfluidité, et voir directement comment elle passe d’un fluide normal, où la chaleur équilibrait de manière ennuyeuse, à un superfluide où la chaleur oscille d’avant en arrière,” a déclaré Zwierlein.
Avenir des études sur la superfluidité et l’astrophysique
Les physiciens affirment que leur technique révolutionnaire leur permettra d’étudier plus efficacement les comportements de certains des objets les plus extrêmes de l’univers, tels que les étoiles à neutrons, et de mesurer la conductivité des superconducteurs à haute température pour concevoir des matériaux encore meilleurs.
“Il existe de fortes corrélations entre notre bouffée de gaz, qui est un million de fois plus mince que l’air, et le comportement des électrons dans les superconducteurs à haute température, et même des neutrons dans les étoiles à neutrons ultradenses,” a expliqué Zwierlein. “Nous pouvons maintenant explorer parfaitement la réponse thermique de notre système, ce qui nous apprend des choses difficiles à comprendre ou même à atteindre.”