麻省理工学院物理学家首次捕捉到超流体"第二声音"的直接图像

麻省理工学院物理学家首次捕捉到超流体"第二声音"的直接图像 麻省理工学院的物理学家首次捕捉到了"第二声音"的直接图像,即在超流体中来回晃动的热量运动。这些成果将拓展科学家对超导体和中子星中热流的理解。资料来源:Jose-Luis Olivares,麻省理工学院麻省理工学院的秒声可视化技术为理解超流体中热量的波状行为及其对各种物质状态的影响开辟了新的道路,拓展了科学家对超导体和中子星中热流的理解。新图像揭示了热量如何像波浪一样来回"晃动",即使材料的物理物质可能以完全不同的方式运动。这些图像捕捉到了热量的纯粹运动,与材料的粒子无关。"这就好比你有一缸水,让其中一半几乎沸腾,"助理教授理查德-弗莱彻打了个比方。"如果你接着观察,水本身可能看起来完全平静,但突然另一边热了,然后另一边又热了,热量来回流动,而水看起来完全静止。"在托马斯-弗兰克物理学教授马丁-茨维尔莱因(Martin Zwierlein)的领导下,研究小组将超流体中的秒声进行了可视化。超流体是一种特殊的物质状态,当一团原子被冷却到极低的温度时就会产生超流体,此时原子开始像完全无摩擦的流体一样流动。在这种超流体状态下,理论家们预测热量也应该像波浪一样流动,不过科学家们直到现在才能够直接观察到这种现象。简单动画中描述的第一种声音是密度波形式的普通声音,其中正常流体和超流体一起振荡。图片来源:研究人员提供第二种声音是热量的运动,超流体和普通流体相互"撞击",同时保持密度不变。图片来源:研究人员提供最近在《科学》杂志上发表的这项新成果将帮助物理学家更全面地了解热量是如何在超流体和其他相关材料(包括超导体和中子星)中流动的。"我们这团比空气稀薄一百万倍的气体与高温超导体中电子的行为,甚至是超密集中子星中的中子的行为之间存在着紧密的联系,"Zwierlein 说。"现在,我们可以纯粹地探测我们系统的温度响应,这让我们了解到一些很难理解甚至很难触及的东西。"Zwierlein和Fletcher在这项研究中的合作作者包括第一作者、前物理学研究生颜振杰、前物理学研究生Parth Patel和Biswaroop Mukherjee,以及澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的Chris Vale。麻省理工学院的研究人员是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心(CUA)的成员。当原子云被降到接近绝对零度的温度时,它们会转变为罕见的物质状态。Zwierlein 在麻省理工学院的研究小组正在探索超冷原子之间出现的奇异现象,特别是费米子通常相互避开的粒子,如电子。然而,在某些条件下,费米子可以发生强烈的相互作用并配对。在这种耦合状态下,费米子可以以非常规的方式流动。在最新的实验中,研究小组采用了费米子锂-6 原子,将其困住并冷却至纳开尔文温度。1938年,物理学家拉斯洛-蒂萨(László Tisza)提出了超流体的双流体模型超流体实际上是某种正常粘性流体和无摩擦超流体的混合物。这种两种流体的混合物可以产生两种类型的声音,即普通密度波和特殊温度波,物理学家列夫-朗道后来将其命名为"第二声音"。由于流体在某个临界超冷温度下会转变为超流体,麻省理工学院的研究小组推断,这两种流体的热量传输方式也应该不同:在普通流体中,热量应该像往常一样散失,而在超流体中,热量可以像波一样移动,类似于声音。Zwierlein说:"秒声是超流性的标志,但在超冷气体中,迄今为止你只能在密度涟漪的微弱反射中看到它,而热浪的特征以前一直无法证实"。团队试图分离并观察第二种声音,即热的波状运动,与超流体中费米子的物理运动无关。为此,他们开发了一种新的热成像方法一种热映射技术。在传统材料中,人们会使用红外线传感器对热源进行成像。但在超低温下,气体不会发出红外线辐射。相反,研究小组利用射频来"观察"热量如何在超流体中移动。他们发现,锂-6费米子会根据不同的温度产生不同的射频共振:当云的温度较高,携带的正常液体较多时,共振频率较高。云中温度较低的区域共振频率较低。研究人员使用较高的共振无线电频率,促使液体中任何正常、"热"的费米子响应响铃。随后,研究人员就能锁定共振费米子,并随着时间的推移追踪它们,从而制作出"电影",揭示热的纯粹运动类似于声波的来回晃动。Zwierlein说:"我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍照,并直接看到它是如何从热平衡无聊的普通流体转换到热量来回滑动的超流体的。"这些实验标志着科学家们首次能够直接对超流体量子气体中的秒声和纯热运动进行成像。研究人员计划扩展他们的工作,以更精确地绘制热在其他超冷气体中的行为。研究成果可以推广到预测热量如何在其他强相互作用的材料中流动,比如在高温超导体和中子星中,精确测量这些系统的导热性,并希望了解和设计出更好的系统。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量 麻省理工学院的科学家们直接观测到了热量在超流体中的奇怪作用 麻省理工学院 Jose-Luis Olivares超流体是一种罕见的物质状态,它的粘度为零,这意味着物质可以在没有任何阻力或摩擦的情况下流动。人们早就预言,热量应该能够像声波一样在超流体中流动,因此被称为"第二声音",但直到现在才被直接观测到。"这就好比你有一缸水,让其中一半几乎沸腾,"该研究的作者、助理教授理查德-弗莱彻说。"如果你接着观察,水本身可能看起来完全平静,但突然另一边热了,然后另一边又热了,热量来回流动,而水看起来完全静止。第一种声音说明了声波如何在普通流体和超流体中共同震荡第二种声音说明了热量是如何通过超流体从一端振荡到另一端的,正如新研究中所探测到的那样为了给这一现象成像,研究人员必须创造一种全新的热量探测方式。通常情况下会使用红外线传感器,但制造超流体需要将量子气体冷却到几乎绝对零度,而红外线辐射在如此低的温度下是不会发射的。因此,研究小组转而使用无线电。研究人员使用的量子气体由锂-6 费米子组成,结果发现,这些费米子的温度越高,它们共振的频率就越高。研究小组将较高的无线电频率施加到气体中,这将导致其中较热的费米子产生响应共振。通过追踪哪些费米子在不同时间产生了共振,科学家们就能在热波来回摆动时捕捉到"第二种声音"。该研究的第一作者马丁-茨维尔林(Martin Zwierlein)说:"我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍照,并直接看到它是如何从热平衡无聊的普通流体转换到热量来回滑动的超流体的。"研究小组表示,观察这种奇怪的现象可以帮助科学家更好地理解包括超导体和中子星在内的稀有物质状态的热传导性,进而帮助他们设计出更好的系统。这项研究发表在《科学》杂志上。 ... PC版: 手机版:

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麻省理工学院揭幕"质子之舞": 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞": 开拓能源新时代 麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者 Yogesh Surendranath 说:"我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质,这与催化反应有关,而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中,研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液 pH 值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯(Noah Lewis)是这篇论文的第一作者,论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后 Ryan Bisbey、麻省理工学院研究生 Karl Westendorff 和耶鲁大学研究科学家 Alexander Soudackov 也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子(通常是水或酸)将质子转移到另一种分子或电极表面,从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤,对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要,"Surendranath 说。在制氢电解槽中,这种方法用于从水中去除质子,并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中,当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时,就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子(右图)转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极,麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源:研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见,例如二氧化碳还原(通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料)。当质子接受体是分子时,科学家们可以精确控制每个分子的结构,并观察电子和质子如何在分子间传递,因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而,当质子耦合电子转移发生在电极表面时,这一过程就更难研究了,因为电极表面通常非常异质,质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍,麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法,使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成,表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子,它可以接受周围溶液中的质子,从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath 说:"我们可以创造出一种电极,它不是由各种各样的位点组成,而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列,每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点,这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统,研究人员能够测量流向电极的电流,从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现,周围溶液的 pH 值对这一速率有显著影响: 最高速率出现在 pH 值的两端酸性最强的 pH 值为 0,碱性最强的 pH 值为 14。为了解释这些结果,研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中,强酸性溶液中高浓度的氢离子(H3O+)将质子传递给表面的氧离子,生成水。在第二种情况下,水将质子传递给表面氧离子,生成氢氧根离子(OH-),氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过,pH 值为 0 时的速度比 pH 值为 14 时的速度快四倍,部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现,这两个反应的速率并不是在中性 pH 值为 7(氢铵和氢氧根的浓度相等)时相等,而是在 pH 值为 10(氢氧根离子的浓度是氢铵的 100 万倍)时相等。该模型表明,这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说,关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定,前向反应和后向反应对总速率的贡献相同,因此新发现表明,可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说:"这是默认的假设,即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界,因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说:"通过我们的系统,我们知道我们的位点是恒定的,不会相互影响,因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily ... PC版: 手机版:

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