Por primera vez obtienen una imagen del “segundo sonido”

En la mayoría de los materiales, el calor tiende a dispersarse. Si el calor no se mantiene sobre una sartén, se disipará gradualmente a medida que calienta su entorno. Pero en estados excepcionales de la materia, el calor puede comportarse como una onda, moviéndose de un lado a otro de forma similar a una onda sonora que rebota de un extremo a otro de una habitación. Este calor ondulatorio es lo que los físicos llaman “segundo sonido”.

Ahora, un equipo de científicos del MIT ha capturado por primera vez imágenes directas del calor comportándose como sonido. La fotografía se obtuvo dentro de un exótico estado superfluido de átomos fríos de litio-6 mediante una nueva técnica de mapeo térmico. El fenómeno muestra el calor moviéndose como una onda, rebotando como sonido alrededor de su contenedor.

Comprender cómo se mueve el segundo sonido podría ayudar a los científicos a predecir cómo fluye el calor dentro de estrellas de neutrones ultradensas y superconductores de alta temperatura, uno de los “santos griales” de la física cuyo desarrollo permitiría una transmisión de energía casi sin pérdidas.

“Es como si tuvieras un tanque de agua y pusieras una mitad a punto de hervir – explica Richard Fletcher, coautor del estudio publicado en Science, en un comunicado -. Si entonces observaras, el agua podría parecer completamente tranquila, pero de pronto el otro lado está caliente, y luego cambia al lado opuesto y así sucesivamente, mientras que el agua parece completamente quieta, algo que no ocurre en circunstancias normales”.

Pero los materiales exóticos llamados superfluidos no tienen por qué seguir estas reglas. Creados cuando las nubes de fermiones (que incluyen protones, neutrones y electrones) se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto, los átomos dentro de los superfluidos se unen y viajan sin fricción por el material.

Como resultado, el calor fluye de forma diferente a través del material: en lugar de propagarse a través del movimiento de las partículas dentro del fluido, como suele ocurrir, el calor se mueve de un lado a otro dentro de los superfluidos como una onda sonora. Este segundo sonido fue predicho por primera vez por el físico László Tisza en 1938, pero las técnicas de mapeo de calor, hasta ahora, han demostrado ser incapaces de observarlo directamente.

“El segundo sonido es el sello distintivo de la superfluidez, pero hasta ahora, en gases ultrafríos, solo se podía apreciar en este tenue reflejo de las ondulaciones de densidad que lo acompañan – añade Martin Zwierlein, líder del estudio -. La naturaleza de la onda de calor no se había podido demostrar antes”.

Para capturar el segundo sonido, los investigadores tuvieron que resolver un complejo problema: rastrear el flujo de calor dentro de gases ultrafríos. Estos gases son tan fríos que no emiten radiación infrarroja, de la que dependen las técnicas típicas de mapeo térmico o termografía.

En su lugar, los autores del estudio desarrollaron un método para rastrear las parejas de fermiones a través de sus frecuencias de resonancia. Los átomos de litio-6 resuenan a diferentes frecuencias de radio a medida que cambian sus temperaturas, y los átomos más calientes vibran a frecuencias más altas.

Al aplicar frecuencias de radio resonantes correspondientes a átomos más calientes, los científicos hicieron que estos átomos vibraran en respuesta, lo que les permitió rastrear el flujo de partículas fotograma a fotograma. En pocas y, muy básicas, palabras: es como si aislaran un sonido, átomo por átomo y lo pasaran a través de un campo de gelatina, para ver cómo se comporta.

“Por primera vez, podemos fotografiar esta sustancia a medida que la enfriamos hasta la temperatura crítica de superfluidez y observar directamente cómo pasa de ser un fluido normal, donde el calor se equilibra de forma monótona, a un superfluido donde el calor fluctúa de un lado a otro”, concluye Zwierlein.