Isının dağılmasında ‘İkinci Ses’ denilen yöntemle yeni bir keşif yapıldı.

Günlük malzemelerde ısı genellikle tahmin edilebilir bir şekilde davranır.

Sıcak bir kaynaktan dışa doğru yayılır ve eşit şekilde dağılır. Örneğin, bir su kabına yanan bir kömür parçası attığınızı düşünün: ısı, sıvının sıcaklığını yavaşça yükseltir ve sonunda dağılır. Ancak tüm malzemeler bu sıradan termal kurallara uymaz. Süperakışkan kuantum gazları gibi bazıları, alışılagelmiş ısı yayılımı kurallarına uymayı reddeder. Bu maddelerde ısı, yavaşça dağılmak yerine bir dalga gibi hareket eder, ileri geri çalkalanır.

Bilim insanları bu olağandışı davranışa “ikinci ses” adını veriyor—çünkü normal ses bir yoğunluk dalgası olarak yayılırken, bu etki saf bir ısı dalgasıdır. Araştırmacılar ikinci sesi uzun süredir biliyor olsa da, şimdiye kadar hiç kimse bunu hareket halinde görüntülemeyi başaramamıştı… ta ki şimdiye kadar.

Geçtiğimiz günlerde MIT’den bir ekip bu gizemi çözdü. Yeni bir ısı haritalama tekniği (termografi olarak da bilinir) kullanarak, bu tuhaf ısı hareketinin görsel kanıtını nihayet yakaladılar—ve bunu yaparak, hareket halindeki sıcaklığa tamamen yeni bir bakış açısı kazandırdılar.

Yayılmak Yerine Ping-Pong Oynayan Isı

Bu araştırmanın bulguları geçen hafta Science dergisinde yayımlandı. Çalışmanın ortak yazarı ve MIT yardımcı doçenti Richard Fletcher, “ikinci ses”in ne kadar tuhaf olduğunu açıklamak için kaynayan su analojisini kullandı.

Fletcher, MIT basın açıklamasında, “Bir su tankınız olduğunu ve bir tarafını neredeyse kaynayana kadar ısıttığınızı hayal edin,” dedi. “Eğer izlerseniz, yüzey tamamen hareketsiz görünebilir—ancak ısı yavaşça yayılmak yerine bir taraftan diğerine ileri geri sıçrar.”

Başka bir deyişle, ısı doğal olarak yayılmak yerine, bir tür termal ping-pong oyunu gibi davranır—sistemin bir tarafından diğerine sekerken, sıvının kendisi tuhaf bir şekilde rahatsız edilmeden kalır. İşte bu, ısının seyahat etmesinin oldukça garip bir yolu!

Süperakışkanlık: Atomlar O Kadar Soğur ki Kuralları Çiğner

Bu süperakışkan durumlar, bir atom bulutunun mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara (−459.67 °F gibi akıl almaz bir soğukluk) kadar soğutulmasıyla oluşur. Bu aşırı soğuk sıcaklıklarda atomlar normal davranmayı bırakır ve sürtünmesiz bir akışkan gibi davranarak direnç olmadan akar. Bu nadir durumda, ısı sadece yayılmaz—bir gölet üzerindeki dalgalanma gibi dalgalar halinde hareket eder.

Çalışmanın baş yazarı Martin Zwierlein, bir basın açıklamasında, “İkinci ses, süperakışkanlığın ana işaretlerinden biridir,” dedi. “Ancak şimdiye kadar, ultra soğuk gazlarda sadece yoğunluktaki hafif bir bozulma olarak görülebiliyordu. Bu ısı dalgasının gerçek doğası hiçbir zaman tam olarak doğrulanmamıştı.”

Bilim insanları tuhaf bir şeyler olduğunu biliyordu, ancak şimdiye kadar buna net bir şekilde bakmayı başaramamışlardı. Bu buluş, ısının günlük malzemelerden beklediğimiz her şeye meydan okuyan bir şekilde hareket ettiğini nihayet görmemizi sağlıyor.

Isı Dalgasını Yakalamak—Isı Olmadan

İkinci sesi hareket halinde yakalamak için Zwierlein ve ekibi yaratıcı bir yöntem geliştirmek zorunda kaldı. Isıyı izlemenin alışılagelmiş yöntemi—kızılötesi radyasyon—ultra soğuk malzemelerle çalışırken işe yaramaz. Neden? Çünkü mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda, nesneler alıştığımız şekilde ısı yaymaz.

Bu yüzden MIT bilim insanları farklı bir yaklaşım benimsedi. Kızılötesi sinyallere güvenmek yerine, radyo frekanslarına yöneldiler ve lityum-6 fermiyonları adı verilen özel bir tür atom altı parçacığa odaklandılar. Bu parçacıklar, sıcaklıklarına bağlı olarak farklı radyo frekanslarına tepki verir—daha sıcak olanlar daha yüksek frekanslarda titreşirken, daha soğuk olanlar daha düşük frekanslarda titreşir.

Bu akıllıca numara, araştırmacıların “daha sıcak” sinyallere ayarlanmasını sağladı—ki normal standartlara göre hâlâ dondurucuydu—ve ikinci ses dalgasını zaman içinde takip etmelerine olanak tanıdı. Başka bir deyişle, ısıyı “görmek” yerine “dinlemeyi” başardılar ve bu da onlara hareketini izlemek için tamamen yeni bir yol sundu.

İlk bakışta, bu keşif “ilginç bir hikaye, ama ne olmuş yani?” gibi görünebilir. Sonuçta, süperakışkan kuantum gazları günlük hayatımızın bir parçası değil—tabii ki yüksek teknoloji laboratuvarlarda aşırı fizikle uğraşmıyorsanız. Ancak bir malzeme bilimcisine veya astronoma sorarsanız, bu heyecan çok daha anlamlı hale geliyor.”

Haber Veriyoruz