Umuligt scenario: Forskere observerede bevægelsen af ​​varme ved lydens hastighed

Ryan Duncan frøs. Han havde netop udført et nyt eksperiment på undersøgelsen af ​​almindeligt grafit - den eneste, deres blyantkerne - men resultaterne syntes fysisk umulige: varmen, som normalt forsvinder langsomt, gik gennem grafit ved lydens hastighed. Det er som at lægge en pande vand på en varm komfur og i stedet for at tælle lange minutter indtil vandet koger, se hvordan det koger straks.

Hvor hurtigt spredes varmen?

Ikke underligt Duncan, en kandidatstuderendeMassachusetts Institute of Technology, kunne ikke tro mine øjne. For at sikre, at han ikke fejlede, måtte jeg dobbeltsjekke alt, hvad der var i installationen, køre eksperimentet igen og have en god pause. "Jeg forsøgte at sove, vel vidende at jeg ikke kunne afgøre, om eksperimentet var vellykket eller ej, i nogle få timer, men det var ret svært at afbryde," minder han om. Da den næste morgen ringede Duncans vækkeur, løb han direkte til sin computer i pyjamas og så på de nye målinger. Resultaterne var alle de samme: varmen flyttede utrolig hurtigt.

Resultaterne af hans arbejde Duncan udgivet iScience magazine. Dette fænomen, kendt som "anden lyd", lækker fysikere - dels fordi det kan bane vejen for avanceret mikroelektronik, dels fordi det er et meget mærkeligt fænomen.

For at forstå, forestil dig bare hvor varmtbevæger sig gennem luften. Den bæres af molekyler, der konstant kolliderer med hinanden og spredes varme i alle retninger: fremad, sidelæns og endda bagud. Denne grundlæggende ineffektivitet gør varmens ledningsevne relativt langsomt (strålingsvarme flytter i sammenligning ved lysets hastighed i form af infrarød stråling). Den samme langsommelighed opretholdes for varme, der bevæger sig gennem et fast stof. Her overfører fononer (akustiske vibrationsenergipakker) varme som molekyler i luften, så de kan sprede sig i alle retninger og langsomt forfalde. "Det er lidt som at sætte en dråbe madfarve i vandet og lade det sprede sig," siger Kate Nelson, Duncans rådgiver for MIT. "Det bevæger sig ikke i en lige linje, som en pil, fra punktet af indflydelse." Men det er netop det resultat, Duncan fik fra eksperimentet. I den anden lyd undertrykte den omvendte fonon-spredning kraftigt, med det resultat at varmen skød fremad. Bølge bevægelse. "Hvis du er i puljen og starter en bølge fra dig selv, vil det forlade dig. Men for varme er det unormalt opførsel. "

Den anden lyd blev først detekteret i flydende helium.75 år siden og senere i tre faste stoffer. "Alle tegn indikerede, at det ville være begrænset til en lille mængde materialer og manifestere sig ved meget lave temperaturer." Forskerne troede, at de var dødlåst. Det var ikke klart, hvad der kunne være anden lyd end videnskabelig godkendelse, så i mange år var dette område uden nyheder.

Men betydelige forbedringer i den numeriskeModelleringen hjalp med at genoplive dette område for omkring fem år siden, og forskere erkendte, at dette fænomen kan være mere almindeligt. Gang Chen, en ingeniør ved Massachusetts Institute of Technology, kunne for eksempel forudsige, at en anden lyd kunne forekomme i grafit ved temmelig milde temperaturer. Denne forudsigelse opkrævede Duncan, som testede det og til sidst løb i modstridende resultater.

For det første fjernede Duncan varme til prøven.grafit, ved hjælp af to krydsede laserstråler til at skabe et interferensmønster - skiftende lyse og mørke områder, der svarer til kamrene og trugene af modstående lysbølger. I begyndelsen opvarmede kamrene grafitten, og hulerne forblev afkølet. Men så snart Duncan skulle slukke for laserne, måtte billedet begynde at ændre sig langsomt, og varmen flyder fra de varme kamre til de kolde fordybninger. Forsøget ville nå sin ende, når hele prøven nåede en ensartet temperatur. Det er i hvert fald det, der normalt sker. Men da laserne stoppede glødende, havde grafit andre planer: varmen fortsatte med at strømme, indtil de varme kamme blev koldere end hulene. Det var som om kogepladen var blevet iskolde i det øjeblik du slukkede den og ikke gradvist afkølet til omgivelsestemperatur. "Det er mærkeligt - varmen skal ikke gøre det."

Og det burde det bestemt ikke gøre ved så højtemperaturer. Duncan-eksperimentet tillod os også at etablere en højtemperaturgrænse, hvor den anden lyd manifesterer sig: ca. 120 Kelvin - mere end 10 gange højere end under tidligere målinger.

Hvilke praktiske anvendelser er sådanne resultater?vil du finde i fremtiden? For det første er temperaturmanipulationer snarere end kryogenkøling mere praktisk. For det andet er grafit ganske almindeligt materiale. Disse to egenskaber vil hjælpe ingeniører med at overvinde det akutte problem med varmeledelse i mikroelektronik. Tænk bare på, at varmen vil sprede sig ved lydens hastighed, så materialer og enheder kan afkøles meget hurtigere.

Du kan diskutere opdagelsen i vores chatrum i Telegram.