מחקר

תרחיש בלתי אפשרי: מדענים צפו בתנועת החום במהירות הקול

ראיין דאנקן קפא. הוא רק ניהל ניסוי חדש בחקר הגרפיט הרגיל - האחד, מקל העיפרון שלהם - אבל התוצאות נראו בלתי אפשריות מבחינה פיזית: החום, שבדרך כלל מתמוסס לאט, עבר דרך הגרפיט במהירות הקול. זה כמו לשים סיר מים על תנור חם במקום לספור דקות ארוכות עד המים רותח, להתבונן איך זה רותח מיד.

כמה מהר מתפשט החום?

לא פלא דאנקן, סטודנט לתואר שנימסצ'וסטס המכון הטכנולוגי, לא יכולתי להאמין למראה עיני. כדי לוודא שהוא לא טועה, הייתי צריך לבדוק את כל מה שהיה במתקן, להפעיל את הניסוי שוב יש הפסקה טובה. "ניסיתי לישון, בידיעה שאני לא יכול לקבוע אם הניסוי היה מוצלח או לא, עוד כמה שעות, אבל זה היה די קשה להתנתק", הוא נזכר. למחרת בבוקר, צלצל השעון המעורר של דאנקן, הוא רץ היישר אל המחשב שלו בפיג'מה והסתכל על המידות החדשות. התוצאות היו כולן זהות: החום נע במהירות רבה.

התוצאות של עבודתו Duncan שפורסם במגזין מדע. תופעה זו, הידועה בשם "הצליל השני", מענגת את הפיזיקאים, בין היתר משום שהיא יכולה לסלול את הדרך למיקרואלקטרוניקה מתקדמת, ובחלקה משום שהיא תופעה מוזרה מאוד.

כדי להבין, רק לדמיין כמה חםנע באוויר. הוא נישא על ידי מולקולות המתנגשות זו בזו כל הזמן ומפזרות חום לכל הכיוונים: קדימה, לצדדים ואפילו לאחור. זה חוסר יעילות בסיסי עושה מוליכות של חום איטי יחסית (חום קורן, לעומת זאת, נע במהירות האור בצורה של קרינה אינפרא אדום). אותה איטיות נשמרת לחום הנע דרך מוצק. כאן, פונונים (אקוסטית רטט אנרגיה מנות) להעביר חום כמו מולקולות באוויר, ומאפשר לה להתפזר לכל הכיוונים לאט לאט. "זה קצת כמו לשים טיפה של צבעי מזון במים ולתת לה להתפשט", אומרת קייט נלסון, יועצו של דאנקן ב- MIT. "זה לא זז בקו ישר, כמו חץ, מנקודת המבט". אבל זו בדיוק התוצאה שקיבל דאנקן מהניסוי. בצליל השני, התפזורת הפוננונית הפוכה הדחיקה מאוד, והתוצאה היתה שהחום נורה קדימה. תנועה גל. "אם אתה בבריכה והתחל גל מעצמך, זה יעזוב אותך. אבל בשביל החום, זו התנהגות לא נורמלית ".

הצליל השני זוהה לראשונה בהליום נוזלי.לפני 75 שנה ומאוחר יותר בשלושה מוצקים. "כל הסימנים ציינו שזה יהיה מוגבל לכמות קטנה של חומרים להתבטא בטמפרטורות נמוכות מאוד." מדענים חשבו שהם חסומים. זה לא היה ברור מה יכול להיות קול השני מלבד הצהרה מדעית, כך במשך שנים רבות באזור זה היה ללא חדשות.

עם זאת, שיפורים משמעותיים מספרייםהדוגמא סייעה להחיות את האזור לפני כחמש שנים, ומדענים הכירו בכך שתופעה זו עשויה להיות נפוצה יותר. גאנג צ'ן, מהנדס במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, יכול היה לחזות כי צליל שני יכול להופיע בגרפיט בטמפרטורות מתונות למדי. תחזית זו טעונה דאנקן, שבדק אותה ולבסוף נתקל בתוצאות סותרות.

ראשית, דאנקן הסיר את החום למדגם.גרפיט, באמצעות שתי קורות לייזר חוצה ליצור תבנית הפרעה - לסירוגין אזורים בהירים וחשוכים התואמות את הפסגות ואת שקתות של גלי אור מנוגדים. בתחילה, הקומבים המחוממים את הגרפיט והשקעים נותרו קרים. אבל ברגע שדאנקן נאלץ לכבות את הלייזרים, היתה התמונה מתחילה להשתנות לאט, והחום היה אמור לזרום מן הקוצים החמים אל השקעים הקרים. הניסוי יגיע לסופו כאשר המדגם כולו יגיע לטמפרטורה אחידה. כך לפחות קורה. אבל כשהלייזרים הפסיקו לזרוח, היו לגראפיט תוכניות אחרות: החום המשיך לזרום עד שהרכסים החמים נעשו קרים יותר מהשקעים. זה היה כאילו הכיריים הפכו להיות קפואים ברגע שכיבית אותה, ולא התקררו בהדרגה לטמפרטורת הסביבה. "זה מוזר - החום לא צריך לעשות את זה."

ובוודאי שזה לא צריך לעשות את זה בכל כך גבוהטמפרטורות. כמו כן, הניסוי דאנקן איפשר לנו ליצור גבול טמפרטורה גבוה שבו הקול השני מתבטא: כ 120 קלווין - יותר מ 10 פעמים גבוה יותר מאשר במהלך המדידות הקודמות.

אילו יישומים מעשיים הם תוצאות כאלההיית מוצא בעתיד? ראשית, מניפולציות טמפרטורה, במקום קירור קריוגני, הן מעשיות יותר. שנית, גרפיט הוא חומר נפוץ למדי. שני המאפיינים האלה יעזרו למהנדסים להתגבר על הבעיה החריפה של ניהול חום במיקרואלקטרוניקה. תארו לעצמכם כי החום יתפוגג במהירות הקול, המאפשר חומרים והתקנים להתקרר הרבה יותר מהר.

לדון הגילוי יכול להיות בצ 'אט שלנו ב Telegram.