Cientistas confirmam o fascinante fenômeno do “segundo som”
Na vida cotidiana, o calor tende a se espalhar até desaparecer. Um ponto aquecido em um líquido rapidamente se mistura com áreas mais frias, estabelecendo uma temperatura uniforme. No entanto, pesquisadores do MIT, após explorarem um gás quântico superfluido, demonstraram que o calor pode viajar de maneira ondulatória, um fenômeno conhecido como “segundo som”, em vez de simplesmente se dissipar.
Pantxo Diribarne, da Comissão de Energia Atômica e Energias Alternativas e da Universidade de Grenoble Alpes, na França, ve nessa descoberta uma oportunidade de desvendar mais mistérios sobre estados peculiares da matéria.
O fascinante conceito de “segundo som”
O “segundo som” é um fenômeno estranho e incrível onde o calor se move como uma onda, ao contrário da difusão comum a que estamos acostumados. Em vez de se espalhar lentamente, a energia térmica pulsa através de um material de maneira semelhante ao som viajando pelo ar.
Embora não seja algo que experimentamos no dia a dia, em sistemas ultra-frios ou altamente ordenados – como certos cristais ou fluidos quânticos – o segundo som revela um lado completamente diferente de como a energia pode se mover. Nesse cenário, o calor se comporta como ondas, similar a ondulações em um lago, “falando” em um idioma que raramente ouvimos.
O fenômeno conhecido como turbulência quântica entra em cena quando componentes normais e superfluidos se movem juntos em grande escala, mas perdem o sincronismo em escalas menores.
Superfluidos e a física extrema
Um superfluido é um líquido especial que se move sem viscosidade. No hélio-4, esse comportamento aparece a temperaturas abaixo de aproximadamente -271 °C. Quando o fluido é tanto superfluido quanto normal, o atrito entre as duas formas ainda pode aparecer, produzindo estruturas turbilhonantes no superfluido mas também permitindo que pulsos de temperatura (segundo som) passem rapidamente.
Cientistas estão ansiosos para estudar supercondutores de alta temperatura, que conduzem corrente com pouca perda de energia. Alguns acreditam que o segundo som pode lançar luz sobre o transporte térmico nesses sistemas.
Estrelas de nêutrons, aqueles objetos incrivelmente densos no espaço, podem também carregar pistas. Um fluido quântico poderia ocupar seus interiores e possivelmente canalizar calor de maneiras que correspondem aos padrões de segundo som.
A importância do segundo som
Pesquisadores testaram o segundo som no hélio para ver se a mesma ideia ondulatória aparece em outros materiais exóticos. Descobrir um padrão no hélio superfluido pode ajudar a interpretar sinais em experimentos de física avançada.
Com o segundo som, o quebra-cabeça de como a energia flui torna-se mais preciso. Essa clareza apoia esforços para projetar tecnologias que aproveitam efeitos quanticos, como sensores sensíveis ou sistemas de resfriamento mais eficientes
A equipe usou novas abordagens de imagem para observar pulsos de calor atravessando o fluido. Ao capturar esse movimento, eles separaram a propagação normal do calor da onda de calor que nunca se acalmou verdadeiramente.
A análise de dados indicou que a velocidade dessas ondas é de aproximadamente 15 metros por segundo para o hélio a 1,6 K, embora pequenas mudanças de temperatura e pressão possam alterar essa velocidade.
Insights da turbulência
Estudos anteriores tentaram explicar o segundo som focando em linhas de vórtice, que são núcleos pequenos e turbilhonantes no superfluido. Trabalhos recentes sugerem que essas linhas estabelecem um nível de espaçamento chave onde o movimento de temperatura em forma de onda pode dominar.
O resultado surpreendente é que o atrito não decide sozinho como o calor flui Em vez disso, a circulação em grande escala e os emaranhados de vórtices formam uma cascata que determina quando a condução de calor comum muda para uma onda em movimento.
A pesquisa pode empurrar os conceitos de segundo som para temperaturas mais altas. Isso preencheria uma lacuna entre superfluidos de hélio e sistemas sólidos que mostram viagem de temperatura em forma de onda.
Críticos observam que flutuações de temperatura e vibrações mecânicas às vezes mascaram sinais delicados. Para abordar isso, os cientistas planejam um controle de temperatura mais rigoroso e imagens mais refinadas na próxima geração de testes.
O segundo som e a tecnologia do futuro
Se as ideias de segundo som se conectarem a supercondutores, poderíamos melhorar as linhas de energia de próxima geração. Alguns também sonham em aplicar resfriamento baseado em ondas em laboratórios.
Em escalas cósmicas, conectar recursos superfluídos a interiores de estrelas de nêutrons pode sugerir como essas estrelas liberam energia. Rastrear essas ondas pode levar a novos insights sobre o comportamento da matéria sob forças esmagadoras da gravidade.
Embora o calor normalmente se espalhe até se dissipar, o fenômeno do segundo som desafia essa noção. Cientistas estão agora explorando como pulsos de temperatura podem impulsionar novas físicas em fluidos quânticos e até em corpos cósmicos.
O estudo foi publicado no arXiv.
