Research

Неможливий сценарій: вчені спостерігали рух тепла на швидкості звуку

Райан Дункан застиг. Тільки що він провів новий експеримент з дослідження звичайного графіту - того самого, їх стержня олівця - але результати здавалися неможливими фізично: тепло, яке зазвичай розсіюється повільно, проходило через графіт зі швидкістю звуку. Це все одно що поставити каструлю з водою на гарячу плиту і замість того, щоб відраховувати довгі хвилини, поки вода не закипить, спостерігати, як вона відразу ж закипає.

З якою швидкістю поширюється тепло?

Не дивно, що Дункан, аспірантМассачусетського технологічного інституту, не міг повірити своїм очам. Щоб переконатися, що він не помилився, довелося чотири рази перевірити ще раз всі, що було в установці, знову запустити експеримент і влаштувати хороший перерву. «Я спробував поспати, знаючи, що не зможу визначити, чи був експеримент успішним чи ні, ще кілька годин, але відключитися було досить важко», згадує він. Коли на наступний ранок будильник Дункана задзвенів, він прямо в піжамі побіг до комп'ютера і переглянув нові виміри. Результати був все тим же: тепло рухалося неймовірно швидко.

Результати своєї роботи Дункан опублікував вжурналі Science. Це явище, відоме як «другий звук», призводить фізиків в захват - почасти тому, що може прокласти шлях до просунутої мікроелектроніці, і почасти тому, що це дуже дивне явище.

Щоб зрозуміти, просто уявіть, як теплопереміщається по повітрю. Воно переноситься молекулами, які постійно стикаються між собою і розсіюють тепло у всіх напрямках: вперед, убік і навіть назад. Ця фундаментальна неефективність робить провідність тепла відносно повільної (променисте тепло, в порівнянні, рухається на швидкості світла у вигляді інфрачервоного випромінювання). Та ж повільність зберігається для тепла, яке рухається через тверде тіло. Тут фонони (пакети акустичної вібраційної енергії) переносять тепло подібно молекулам в повітрі, дозволяючи йому розсіюватися у всіх напрямках і повільно розпадатися. «Трохи схоже на те, якщо помістити краплю харчового барвника в воду і дати йому розтектися», говорить Кейт Нельсон, радник Дункана в MIT. «Воно рухається не по прямій, як стріла, від місця попадання». Але саме такий наслідок Дункан отримав з експерименту. У другому звуці зворотне розсіювання фононів сильно придушив, в результаті чого тепло вистрілила вперед. Рух хвильове. «Якщо ви перебуваєте в басейні і запускаєте від себе хвилю, вона від вас піде. Але для тепла це ненормальна поведінка ».

Другий звук вперше був виявлений в рідкому гелії75 років тому і згодом ще в трьох твердих тілах. «Всі ознаки вказували на те, що він буде обмежений невеликою кількістю матеріалів і проявлятися при дуже низьких температурах». Вчені думали, що зайшли в глухий кут. Не було зрозуміло, чим ще може бути другий звук крім наукового затвердження, тому багато років ця область була без новин.

Однак значні поліпшення в чисельномумоделюванні допомогли відродити цю область приблизно п'ять років тому, і вчені визнали, що це явище може бути більш поширеним. Ганг Чен, інженер з Массачусетського технологічного інституту, наприклад, зміг передбачити, що другий звук може проявитися в графіті при досить м'яких температурах. Це пророцтво зарядила Дункана, який перевірив його і, в кінцевому підсумку, натрапив на суперечливі результати.

По-перше, Дункан відводив тепло в зразокграфіту, використовуючи два схрещених лазерних променя для створення інтерференційної картини - чергуючи яскраві і темні області, які відповідають гребенях і западин зустрічних світлових хвиль. Спочатку гребені нагрівали графіт, а западини залишалися прохолодними. Але як тільки Дункан повинен був вимкнути лазери, картина повинна була почати повільно змінюватися, а тепло - перетікати з гарячих гребенів в холодні западини. Експеримент досяг би свого кінця, коли весь зразок досяг би однорідної температури. По крайней мере, так зазвичай і відбувається. Але коли лазери перестали світитися, у графіту були інші плани: тепло продовжувало текти, поки гарячі гребені не стали холодніше, ніж западини. Начебто для варки поверхня стала крижаною в той момент, коли ви її вимкнули, а не охолола поступово до температури навколишнього середовища. «Це дивно - тепло не повинно так робити».

І вже точно не повинно так робити при таких високихтемпературах. Також експеримент Дункана дозволив встановити межу високої температури, при якій проявляється другий звук: близько 120 кельвінів - більш ніж в 10 разів вище, ніж в ході попередніх вимірювань.

Які практичні застосування такі результатизнайшли б в майбутньому? По-перше, маніпуляції з температурою, а не з вакуумним охолодженням, більш практичні. По-друге, графіт - цілком поширений матеріал. Ці дві властивості допоможуть інженерам подолати гостру проблему управління теплом в мікроелектроніці. Тільки уявіть, що тепло буде розсіюватися зі швидкістю звуку, дозволяючи матеріалами і пристроїв остигати набагато швидше.

Обговорити відкриття можна в нашому чаті в Телеграма.