Des physiciens ont capturé un son se déplaçant à deux vitesses différentes dans un gaz quantique 3D

Après avoir étudié les phénomènes de deux ondes sonores dans des liquides quantiques, les scientifiques ont maintenant observé un son se déplaçant à deux vitesses différentes dans un gaz quantique.

Si vous étiez en quelque sorte immergé dans le gaz tridimensionnel utilisé pour cette étude, vous entendriez chaque son deux fois : chaque son individuel porté par deux ondes sonores différentes se déplaçant à deux vitesses différentes.

Il s’agit d’un développement important dans le domaine de la superfluidité – des fluides sans viscosité qui peuvent s’écouler sans aucune perte d’énergie.

Remarquablement, le comportement observé dans le gaz en termes de densités et de vitesses correspondait aux paramètres fixés par le modèle à deux fluides de Landau, une théorie développée pour l’hélium superfluide dans les années 1940. Dans une large mesure, il semble que lorsqu’il s’agit de configurations de gaz quantiques, les mêmes règles s’appliquent.

“Ces observations démontrent toutes les caractéristiques clés de la théorie des deux fluides pour un gaz hautement compressible”, écrivent les chercheurs dans leur article publié.

Nous dirions ne pas essayer cela à la maison, mais nous doutons que vous en soyez capable : dans cette expérience, les scientifiques ont refroidi un gaz d’atomes de potassium à moins d’un millionième de degré au-dessus du zéro absolu, piégeant les atomes dans le vide. chambre.

Cela a formé en partie ce que l’on appelle un condensat de Bose-Einstein, où il y a si peu d’énergie que les atomes bougent ou interagissent à peine. Les interactions ont ensuite été augmentées artificiellement pour que le gaz devienne hydrodynamique, c’est-à-dire plus comme un fluide.

Mais comme le condensat de Bose-Einstein maintenait toujours une compressibilité élevée – la même que l’air – c’était toujours un gaz. Plutôt que deux liquides aux propriétés légèrement différentes, la configuration a créé un gaz condensé et non condensé en un, capable de transmettre deux vitesses sonores.

“Nous avons observé à la fois le premier et le deuxième son dans un gaz Bose ultrafroid 3D qui interagit suffisamment fortement pour être hydrodynamique, mais qui est toujours hautement compressible”, écrivent les chercheurs.

“Nous avons constaté que la théorie des deux fluides de Landau capture toutes les caractéristiques essentielles de ce système, avec le premier et le deuxième mode sonore, respectivement, présentant principalement des oscillations de la composante normale et superfluide.”

Les liquides et les gaz deviennent quantiques lorsqu’ils commencent à présenter des propriétés mécaniques quantiques – ils commencent à obéir à un ensemble de lois différent de celui qui régit la physique classique de l’Univers.

Dans ce cas, la nature quantique du gaz explique la paire de sons – l’un une onde typique de particules comprimées, l’autre, des fluctuations de chaleur qui agissent comme des particules.

Tout cela alimente nos connaissances en hydrodynamique quantique, essentiellement l’étude des liquides dans cet état quantique.

Le domaine quantique est difficile à comprendre, et des informations comme celle-ci seront utiles pour les recherches et observations futures.

Comme c’est souvent le cas, cette première remarquable – la première fois que le son se déplace à deux vitesses différentes dans un gaz quantique – servira de tremplin pour d’autres types de recherches et d’expériences dans les années à venir.

“L’accès expérimental aux propriétés microscopiques et hydrodynamiques offre une excellente opportunité pour d’autres études sur les fluides de Bose. En particulier, il serait intéressant d’explorer des températures plus basses”, écrivent les chercheurs.

La recherche a été publiée dans Lettres d’examen physique.