Onmogelijk scenario: wetenschappers observeerden de hitte met de snelheid van het geluid

Ryan Duncan verstarde. Hij had net een nieuw experiment uitgevoerd over de studie van gewoon grafiet - de enige, hun potloodstift - maar de resultaten leken fysiek onmogelijk: warmte, die gewoonlijk langzaam dissipeert, stroomde door grafiet met de snelheid van het geluid. Het is alsof je een pot water op een hete kachel legt en in plaats van lange minuten te tellen tot het water kookt, kijk hoe het onmiddellijk kookt.

Hoe snel verspreidt de hitte zich?

Geen wonder Duncan, een afgestudeerde studentMassachusetts Institute of Technology, kon mijn ogen niet geloven. Om ervoor te zorgen dat hij zich niet vergiste, moest ik alles controleren wat er in de installatie zat, het experiment opnieuw uitvoeren en een goede pauze hebben. "Ik probeerde te slapen, wetende dat ik niet kon vaststellen of het experiment succesvol was of niet, gedurende een paar uur, maar het was vrij moeilijk om de verbinding te verbreken," herinnert hij zich. Toen de volgende ochtend de wekker van Duncan ging, rende hij regelrecht naar zijn computer in zijn pyjama en bekeek hij de nieuwe metingen. De resultaten waren allemaal hetzelfde: de hitte bewoog ongelooflijk snel.

De resultaten van zijn werk Duncan gepubliceerd inScience magazine. Dit fenomeen, bekend als het 'tweede geluid', verheugt natuurkundigen - deels omdat het de weg kan banen voor geavanceerde micro-elektronica, en deels omdat het een heel vreemd fenomeen is.

Om te begrijpen, stel je eens voor hoe warmbeweegt door de lucht. Het wordt gedragen door moleculen die constant met elkaar botsen en de warmte in alle richtingen dissiperen: voorwaarts, zijwaarts en zelfs achterwaarts. Deze fundamentele inefficiëntie maakt de geleidbaarheid van warmte relatief langzaam (stralingswarmte beweegt zich in vergelijking met de snelheid van het licht in de vorm van infrarode straling). Dezelfde traagheid wordt gehandhaafd voor warmte die door een vaste stof beweegt. Hier brengen fononen (akoestische trillingsenergiepakketten) warmte zoals moleculen over in lucht, waardoor het in alle richtingen kan dissiperen en langzaam kan vervallen. "Het is een beetje alsof je een druppel voedselkleuring in het water stopt en laat verspreiden", zegt Kate Nelson, Duncan's adviseur bij MIT. "Het beweegt niet in een rechte lijn, zoals een pijl, vanaf het moment van impact." Maar dit is precies het resultaat dat Duncan uit het experiment heeft verkregen. In het tweede geluid werd de omgekeerde phononverstrooiing sterk onderdrukt, met als gevolg dat de hitte naar voren schoot. Golfbeweging. "Als je in het zwembad bent en een golf van jezelf begint, zal het je verlaten. Maar voor warmte is dit abnormaal gedrag. "

Het tweede geluid werd voor het eerst gedetecteerd in vloeibaar helium.75 jaar geleden en later in drie vaste stoffen. "Alle tekens gaven aan dat het beperkt zou zijn tot een kleine hoeveelheid materialen en zich zou manifesteren bij zeer lage temperaturen." Wetenschappers dachten dat ze vastzaten. Het was niet duidelijk wat het tweede geluid anders dan wetenschappelijke verklaring zou kunnen zijn, dus vele jaren was dit gebied zonder nieuws.

Echter, significante verbeteringen in het numeriekeDe modellering hielp dit gebied ongeveer vijf jaar geleden nieuw leven in te blazen, en wetenschappers erkenden dat dit fenomeen vaker voorkomt. Gang Chen, een ingenieur aan het Massachusetts Institute of Technology, bijvoorbeeld, was in staat om te voorspellen dat een tweede geluid in grafiet kon verschijnen bij vrij milde temperaturen. Deze voorspelling bracht Duncan in rekening, die het controleerde en uiteindelijk tegenstrijdige resultaten tegenkwam.

Eerst nam Duncan de hitte van het monster af.grafiet, waarbij twee gekruiste laserstralen worden gebruikt om een ​​interferentiepatroon te creëren - afwisselend heldere en donkere gebieden die overeenkomen met de toppen en dalen van tegengestelde lichtgolven. In het begin verwarmden de kammen het grafiet en bleven de holtes koel. Maar zodra Duncan de lasers moest uitschakelen, moest het beeld langzaam beginnen te veranderen en moest de hitte van de hete toppen naar de koude depressies stromen. Het experiment zou zijn einde bereiken wanneer het gehele monster een uniforme temperatuur bereikte. Dat gebeurt tenminste meestal. Maar toen de lasers ophielden met gloeien, had grafiet andere plannen: de hitte bleef stromen totdat de hete ruggen kouder werden dan de holtes. Het was alsof de kookplaat ijskoud was geworden op het moment dat je hem uitschakelde en niet geleidelijk tot omgevingstemperatuur afkoelde. "Het is raar - de hitte zou dat niet moeten doen."

En dat zou zeker niet zo hoog moeten zijntemperaturen. Het Duncan-experiment stelde ons ook in staat om een ​​hoge temperatuurlimiet vast te stellen waarop het tweede geluid zich manifesteert: ongeveer 120 Kelvin - meer dan 10 keer hoger dan tijdens eerdere metingen.

Welke praktische toepassingen zijn zulke resultatenzou je dat in de toekomst vinden? Ten eerste zijn temperatuurmanipulaties, eerder dan cryogene koeling, praktischer. Ten tweede is grafiet een vrij algemeen materiaal. Deze twee eigenschappen zullen ingenieurs helpen om het acute probleem van warmtebeheer in micro-elektronica te overwinnen. Stelt u zich eens voor dat de warmte zal dissiperen met de snelheid van het geluid, waardoor materialen en apparaten veel sneller afkoelen.

Bespreek de ontdekking kan in onze chat in Telegram zijn.