Nemogući scenarij: znanstvenici su promatrali kretanje topline brzinom zvuka

Ryan Duncan se ukočio. Upravo je proveo novi eksperiment o proučavanju običnog grafita - upravo one, njihove jezgre olovke - ali rezultati su se činili fizički nemogućim: toplina, koja se obično polagano rasipa, prošla je kroz grafit brzinom zvuka. To je kao da stavljate posudu s vodom na vrući štednjak i umjesto da brojite duge minute dok voda ne zavri, odmah je prokuhajte.

Koliko se brzo širi toplina?

Nije ni čudo što je Duncan, studentTehnološki institut u Massachusettsu nije mogao vjerovati mojim očima. Da bih se uvjerio da se ne griješi, morao sam još jednom provjeriti sve što je bilo u instalaciji, ponovno pokrenuti eksperiment i dobro se odmoriti. "Pokušao sam spavati, znajući da ne mogu utvrditi je li eksperiment bio uspješan ili ne, još nekoliko sati, ali bilo je prilično teško prekinuti vezu", prisjeća se. Kad je sljedećeg jutra zazvonio Duncanov alarm, potrčao je ravno u svoje računalo u pidžami i pogledao nova mjerenja. Rezultati su bili isti: toplina se kretala nevjerojatno brzo.

Rezultati njegova rada, Duncan objavio uZnanstveni časopis. Ovaj fenomen, poznat kao "drugi zvuk", oduševljava fizičare - dijelom zato što može utrti put naprednoj mikroelektroniki, a dijelom zato što je to vrlo čudan fenomen.

Razumjeti, samo zamislite kako je toplokreće se kroz zrak. Nju nose molekule koje se neprestano sudaraju jedna s drugom i raspršuju toplinu u svim smjerovima: naprijed, postrance, pa čak i unatrag. Ta fundamentalna neučinkovitost čini provodljivost topline relativno sporom (toplina zračenja, u usporedbi s time, kreće se brzinom svjetlosti u obliku infracrvenog zračenja). Ista se spora održava za toplinu koja se kreće kroz krutinu. Ovdje fononi (paketi energije akustične vibracije) prenose toplinu kao molekule u zrak, omogućujući joj da se rasprši u svim smjerovima i polako propadne. "To je kao da stavljate kapljicu hrane u vodu i puštate je da se raširi", kaže Kate Nelson, Duncanov savjetnik MIT-a. "Ne pomiče se ravnom linijom, poput strijele, s mjesta udara." No upravo je to rezultat koji je Duncan dobio iz eksperimenta. U drugom zvuku, obrnuto raspršivanje fonona snažno je potisnuto, što je rezultiralo time da je toplina pala naprijed. Kretanje valova. - Ako ste u bazenu i započnete val od sebe, to će vas ostaviti. Ali za toplinu, ovo je abnormalno ponašanje.

Drugi je zvuk prvi put otkriven u tekućem heliju.Prije 75 godina i kasnije u tri krutine. "Svi znakovi ukazuju na to da će biti ograničena na malu količinu materijala i manifestirati se na vrlo niskim temperaturama." Znanstvenici su mislili da su mrtvi. Nije bilo jasno što bi mogao biti drugi zvuk osim znanstvene izjave, tako da je ovo područje već godinama bilo bez vijesti.

Međutim, značajna poboljšanja u numeričkomModeliranje je pomoglo oživljavanju ovog područja prije pet godina, a znanstvenici su prepoznali da je ovaj fenomen uobičajeniji. Gang Chen, inženjer na Tehnološkom institutu u Massachusettsu, na primjer, mogao je predvidjeti da se drugi zvuk može pojaviti u grafitu na prilično blagim temperaturama. To predviđanje tereti Duncana, koji ga je testirao i na kraju naišao na suprotstavljene rezultate.

Prvo, Duncan je uklonio toplinu u uzorak.grafita, koristeći dvije ukrštene laserske zrake za stvaranje interferencijskog uzorka - naizmjenično svijetlih i tamnih područja koja odgovaraju vrhovima i koritu suprotnih svjetlosnih valova. U početku, češljevi su zagrijavali grafit, a udubine su ostale hladne. No, čim je Duncan morao ugasiti lasere, slika se morala polako mijenjati, a toplina teče iz vrućih grebena u hladne depresije. Eksperiment bi dosegnuo svoj kraj kada bi cijeli uzorak dostigao jednaku temperaturu. Barem se to obično događa. Ali kad su laseri prestali svijetliti, grafit je imao druge planove: vrućina je nastavila teći sve dok vrući hrpti nisu postali hladniji od udubina. Kao da je površina za kuhanje postala ledena u trenutku kad ste je isključili, a ne postupno se ohladili na temperaturu okoline. "Čudno je - toplina ne bi trebala to učiniti."

I sigurno to ne bi trebalo učiniti na tako visokoj razinitemperature. Također, Duncanov eksperiment dopustio nam je uspostaviti visoku temperaturnu granicu na kojoj se drugi zvuk manifestira: oko 120 Kelvina - više od 10 puta više nego tijekom prethodnih mjerenja.

Koje su praktične primjene takvi rezultati?biste li pronašli u budućnosti? Prvo, manipulacije temperaturama, a ne kriogeno hlađenje, praktičnije su. Drugo, grafit je vrlo čest materijal. Ova dva svojstva pomoći će inženjerima da prevladaju akutni problem upravljanja toplinom u mikroelektroniki. Zamislite da će se toplina raspršiti brzinom zvuka, dopuštajući materijalima i uređajima da se brže ohlade.

O otkriću možete razgovarati u našoj sobi za razgovor u Telegramu.