Nemožné scénář: vědci pozorovali pohyb tepla rychlostí zvuku

Ryan Duncan ztuhl. Právě provedl nový pokus o studium obyčejného grafitu - ten samý, svou tužkovou tyčinku - ale výsledky se zdály fyzicky nemožné: teplo, které se obvykle pomalu rozptýlí, prošlo grafitem rychlostí zvuku. Je to jako dávat hrnec vody na horký sporák a místo počítání dlouhých minut, než se voda vaří, pozorujte, jak se okamžitě vaří.

Jak rychle se teplo šíří?

Není divu, že Duncan, postgraduální studentMassachusetts Institute of Technology, nemohl uvěřit mým očím. Abych se ujistil, že se nemýlil, musel jsem zkontrolovat vše, co bylo v instalaci, znovu spustit experiment a mít dobrou pauzu. „Snažil jsem se spát, protože jsem věděl, že nemůžu určit, zda byl experiment úspěšný, nebo ne, ještě několik hodin, ale bylo docela těžké odpojit se,“ vzpomíná. Když druhý den ráno zazvonil Duncanův budík, rozběhl se přímo k počítači v pyžamu a podíval se na nová měření. Výsledky byly naprosto stejné: teplo se neuvěřitelně rychle pohybovalo.

Výsledky jeho práce Duncan publikoval vČasopis Science. Tento jev, známý jako „druhý zvuk“, potěšuje fyziky - částečně proto, že může vydláždit cestu pro moderní mikroelektroniku, a částečně proto, že se jedná o velmi zvláštní jev.

Abychom to pochopili, jen si představte, jak teplése pohybuje vzduchem. Je nesena molekulami, které se neustále srazí a rozptýlí teplo ve všech směrech: dopředu, do strany a dokonce dozadu. Tato základní neefektivita činí vodivost tepla relativně pomalou (sálavé teplo se ve srovnání s ním pohybuje rychlostí světla ve formě infračerveného záření). Stejná pomalost je udržována pro teplo, které se pohybuje pevnou látkou. Fonony (akustické vibrační energetické pakety) přenášejí ve vzduchu teplo jako molekuly, což mu umožňuje rozptýlit se ve všech směrech a pomalu se rozpadat. "Je to trochu jako dát kapku potravinového barviva do vody a nechat ji šířit," říká Kate Nelson, poradce Duncanu na MIT. "Nepohybuje se v přímém směru, jako šipka, od bodu nárazu." To je ale přesně výsledek, který Duncan získal z experimentu. Ve druhém zvuku, reverzní fonon rozptyl silně potlačený, s výsledkem, že teplo střílel vpřed. Vlnový pohyb. „Pokud jste v bazénu a začnete vlnu od sebe, opustí vás. Ale pro teplo je to abnormální chování. “

Druhý zvuk byl poprvé detekován v kapalném heliu.Před 75 lety a později ve třech pevných látkách. "Všechny značky naznačují, že by se omezily na malé množství materiálů a projevily by se při velmi nízkých teplotách." Vědci si mysleli, že byli uvězněni. Nebylo jasné, co by mohlo být druhým zvukem jiným než vědeckým, takže po mnoho let byla tato oblast bez novinek.

Nicméně, významná zlepšení v numerickéModelování pomohlo oživit tuto oblast asi před pěti lety a vědci si uvědomili, že tento jev může být častější. Gang Chen, inženýr z Massachusetts Institute of Technology, například dokázal předpovědět, že by se v grafitu mohl při poměrně mírných teplotách objevit druhý zvuk. Tato předpověď účtovala Duncana, kdo kontroloval to a nakonec běžel do konfliktních výsledků.

Duncan nejprve odebral teplo vzorku.grafit, využívající dvou zkřížených laserových paprsků k vytvoření interferenčního vzoru - střídající světlé a tmavé oblasti, které odpovídají vrcholům a korytům protilehlých světelných vln. Hřebeny nejprve zahřály grafit a dutiny zůstaly chladné. Jakmile však musel Duncan vypnout lasery, obraz se musel pomalu měnit a teplo mělo proudit z horkých hřebenů do chladných depresí. Pokus dosáhne svého konce, když celý vzorek dosáhne jednotné teploty. Alespoň to se obvykle děje. Ale když lasery přestaly žhnout, grafit měl jiné plány: teplo pokračovalo v toku, dokud se horké hřebeny nezačaly ochladit než dutiny. Bylo to, jako by se varná deska v okamžiku, kdy jste ji vypnuli, stala ledovou a postupně se neochladila na teplotu okolí. "Je to zvláštní - teplo by to nemělo dělat."

A rozhodně by to nemělo dělat na tak vysoké úrovniteploty. Experiment v Duncanu nám také umožnil stanovit vysokou teplotní hranici, při které se druhý zvuk projeví: asi 120 Kelvinů - více než desetkrát vyšší než při předchozích měřeních.

Jaké praktické aplikace jsou takové výsledkynajdete v budoucnu? Za prvé, praktičtější jsou teplotní manipulace než kryogenní chlazení. Za druhé, grafit je poměrně běžný materiál. Tyto dvě vlastnosti pomohou inženýrům překonat akutní problém řízení tepla v mikroelektronice. Jen si představte, že teplo se rozptýlí rychlostí zvuku, což materiálům a zařízením umožní mnohem rychlejší ochlazení.

Diskutujte o objevu může být v našem chatu v Telegramu.