Kvanttifysiikassa on tapahtunut merkittävä läpimurto. Tutkijat ovat vihdoin onnistuneet havainnoimaan visuaalisesti ”toisen äänen” ilmiön, joka on lähes vuosisadan ajan etsitty lämpöilmiö.
Sisällysluettelo
Tämä löytö voi mullistaa käsityksemme neutronitähtien toiminnasta ja nopeuttaa korkean lämpötilan suprajohteiden kehittämistä, jota pidetään modernin fysiikan pyhänä graalin maljana.
Tiede yllättää meidät jälleen. Vuoden 2025 puolivälissä fyysikot Massachusetts Institute of Technology (MIT) -yliopistosta ovat saavuttaneet vuonna 1938 odotetun saavutuksen: he ovat havainneet suoraan ”toisen äänen”, kiehtovan ilmiön, jossa lämpö käyttäytyy kuin ääniaalto. Tämä ainutlaatuinen havainto, joka on julkaistu arvostetussa Science-lehdessä, avaa uusia näkymiä joidenkin universumin äärimmäisimpien kohteiden ymmärtämiseen ja voi nopeuttaa vallankumouksellisten teknologioiden kehittämistä.
Lämpö käyttäytyy kuin ääni: ilmiö vihdoin havaittu
Kuvittele säiliö, jonka puolet on lähes kiehuvaa. Normaalisti tämä lämpö leviäisi vähitellen koko nesteeseen. Mutta tietyissä eksoottisissa materiaaleissa, joita kutsutaan ”superfluideiksi”, tapahtuu jotain poikkeuksellista: lämpö heilahtaa edestakaisin kuin aalto, kun taas neste itsessään pysyy täysin liikkumattomana.
Tämä lämmön aalto-hiukkasmainen käyttäytyminen, jonka fyysikko László Tisza teorisoi ensimmäisenä vuonna 1938, on vihdoin havaittu suoraan professori Martin Zwierleinin tiimin kehittämällä innovatiivisella tekniikalla. ”Toinen ääni on suprafluiditeetin erottuva piirre, mutta tähän asti se on voitu havaita ultrakylmissä kaasuissa vain sen mukana ilmenevien tiheyden aaltojen heikossa heijastuksessa”, Zwierlein selittää.
Tämän läpimurron saavuttamiseksi tutkijoiden oli ratkaistava merkittävä tekninen haaste: kuinka kartoittaa lämpö kaasussa, joka on niin kylmää, ettei se säteile infrapunasäteilyä, jota perinteisillä lämpökameroilla voidaan havaita?
Vallankumouksellinen tekniikka näkymättömän visualisoimiseksi
Tämän haasteen edessä fyysikot kehittivät täysin uuden lähestymistavan. Heidän menetelmänsä perustuu litium-6-atomien perustavanlaatuiseen ominaisuuteen: niiden resonanssitaajuus vaihtelee lämpötilan mukaan. Mitä kuumempia ne ovat, sitä korkeampi on niiden värähtelytaajuus.
Soveltamalla kuumempia atomeja vastaavia radio taajuuksia, tiimi sai ne ”resonoimaan” vastauksena, jolloin niiden liikettä voitiin seurata kuva kuvalta. Tutkimuksen toinen kirjoittaja, professori Richard Fletcher, kuvaa tätä läpimurtoa: ”Ensimmäistä kertaa voimme ottaa kuvia tästä aineesta, kun jäähdytämme sen alle kriittisen lämpötilan, ja havaita suoraan sen siirtymisen normaalista nesteestä superfluidiin.”
Tällä teknisellä innovaatiolla on useita merkittäviä etuja:
- Se mahdollistaa lämmön leviämisen havainnoinnin reaaliajassa.
- Se tarjoaa ennennäkemättömän tarkkuuden lämpötilan mittauksessa.
- Se toimii äärimmäisissä olosuhteissa, joissa perinteiset menetelmät epäonnistuvat.
- Sitä voidaan soveltaa muihin kvanttimateriaaleihin.
Sovelluksia tähdistä tulevaisuuden teknologioihin
Tämän löydön merkitys ulottuu kauas laboratorion ulkopuolelle. Supersuprafluidit ovat silmiinpistävän samankaltaisia muiden kvanttijärjestelmien kanssa, jotka ovat erittäin tärkeitä modernille tieteelle ja teknologialle.
Neutronitähdet, ultratiheät tähtien jäänteet, jotka muodostuvat tiettyjen massiivisten tähtien räjähdyksen jälkeen, sisältävät todennäköisesti neutronisuperfluideja sisäisessä rakenteessaan. Ymmärtämällä, miten lämpö leviää näissä kosmologisissa kohteissa, tähtitieteilijät voisivat mallintaa niiden kehitystä ja käyttäytymistä paremmin.
Lähempänä meitä tämä tutkimus voisi nopeuttaa korkean lämpötilan suprajohtavien materiaalien kehittämistä. Nämä materiaalit pystyvät kuljettamaan sähköä ilman energian häviötä. ”On olemassa vahvoja yhteyksiä kaasupilven, joka on miljoona kertaa harvempaa kuin ilma, ja elektronien käyttäytymisen välillä korkean lämpötilan suprajohtavissa materiaaleissa”, Zwierlein korostaa.
Tämän löydön seuraavia vaiheita voivat olla:
- Tämän tekniikan soveltaminen muihin superfluideihin.
- Toisen äänen ja muiden kvantti-ilmiöiden välisten vuorovaikutusten tutkiminen.
- Ennustavien mallien kehittäminen suprajohteille.
- Tämän tutkimuksen laajentaminen vielä äärimmäisempiin lämpötiloihin.
Harppaus perustutkimuksessa ja soveltavassa tutkimuksessa
Tämä historiallinen ”toisen äänen” tallennus merkitsee käännekohtaa kvantti-ilmiöiden ymmärtämisessä. Teknisen saavutuksen lisäksi se vahvistaa, että jopa lähes vuosisadan kestäneen tutkimuksen jälkeen kvanttifysiikka paljastaa edelleen syvimpiä salaisuuksiaan sinnikkäille tutkijoille.
Tämän läpimurron ansiosta meillä on nyt ainutlaatuinen mahdollisuus havainnoida aiemmin saavuttamattomia ilmiöitä, mikä avaa tien löytöille, jotka voivat muuttaa käsityksemme maailmankaikkeudesta ja mullistaa energiateknologiamme.
