Investigación

Escenario imposible: los científicos observaron el movimiento del calor a la velocidad del sonido

Ryan Duncan se congeló. Acababa de realizar un nuevo experimento sobre el estudio del grafito ordinario, el mismo, el núcleo de su lápiz, pero los resultados parecían físicamente imposibles: el calor, que generalmente se disipa lentamente, pasa a través del grafito a la velocidad del sonido. Es como poner una olla con agua en una estufa caliente y, en lugar de contar largos minutos hasta que hierva el agua, observe cómo hierve inmediatamente.

¿Qué tan rápido se propaga el calor?

No es de extrañar Duncan, un estudiante graduado.El Instituto de Tecnología de Massachusetts, no podía creer lo que veía. Para asegurarme de que no estaba equivocado, tuve que verificar dos veces todo lo que había en la instalación, ejecutar el experimento nuevamente y tener un buen descanso. "Traté de dormir, sabiendo que no podía determinar si el experimento fue exitoso o no, por unas horas más, pero fue bastante difícil desconectarlo", recuerda. A la mañana siguiente, cuando sonó el despertador de Duncan, corrió directo a su computadora en pijama y miró las nuevas mediciones. Los resultados fueron todos iguales: el calor se movió increíblemente rápido.

Los resultados de su trabajo Duncan publicado enRevista de ciencia. Este fenómeno, conocido como el "segundo sonido", deleita a los físicos, en parte porque puede allanar el camino para la microelectrónica avanzada y en parte porque es un fenómeno muy extraño.

Para entender, imagínate lo cálido que es.Se mueve por el aire. Es transportado por moléculas que chocan constantemente entre sí y disipan el calor en todas las direcciones: hacia adelante, hacia los lados e incluso hacia atrás. Esta ineficiencia fundamental hace que la conductividad del calor sea relativamente lenta (el calor radiante, en comparación, se mueve a la velocidad de la luz en forma de radiación infrarroja). La misma lentitud se mantiene para el calor que se mueve a través de un sólido. Aquí, los fonones (paquetes de energía de vibración acústica) transfieren calor como moléculas en el aire, lo que le permite disiparse en todas las direcciones y decaer lentamente. "Es un poco como poner una gota de colorante de alimentos en el agua y dejar que se propague", dice Kate Nelson, asesora de Duncan para el MIT. "No se mueve en línea recta, como una flecha, desde el punto de impacto". Pero este es precisamente el resultado que Duncan obtuvo del experimento. En el segundo sonido, la dispersión del fonón inverso se reprimió fuertemente, con el resultado de que el calor avanzó. Movimiento ondulatorio “Si estás en la piscina y comienzas una ola desde ti mismo, te dejará. Pero para el calor, este es un comportamiento anormal ".

El segundo sonido fue detectado por primera vez en helio líquido.Hace 75 años y más tarde en tres sólidos. "Todas las señales indicaron que se limitaría a una pequeña cantidad de materiales y se manifestaría a temperaturas muy bajas". Los científicos pensaron que estaban en un punto muerto. No estaba claro cuál podría ser el segundo sonido aparte de una declaración científica, por lo que durante muchos años esta área estuvo sin noticias.

Sin embargo, mejoras significativas en la numéricaEl modelado ayudó a revivir esta área hace unos cinco años, y los científicos reconocieron que este fenómeno puede ser más común. Gang Chen, un ingeniero del Instituto de Tecnología de Massachusetts, por ejemplo, pudo predecir que podría aparecer un segundo sonido en grafito a temperaturas bastante suaves. Esta predicción cargó a Duncan, quien la probó y finalmente encontró resultados conflictivos.

Primero, Duncan quitó calor a la muestra.grafito, que utiliza dos rayos láser cruzados para crear un patrón de interferencia, alternando áreas brillantes y oscuras que corresponden a las crestas y depresiones de las ondas de luz opuestas. Inicialmente, los peines calentaron el grafito y los huecos se mantuvieron frescos. Pero tan pronto como Duncan tuvo que apagar los láseres, la imagen comenzó a cambiar lentamente, y el flujo de calor de las crestas calientes a las depresiones frías. El experimento alcanzaría su fin cuando toda la muestra alcanzara una temperatura uniforme. Al menos eso es lo que suele pasar. Pero cuando los láseres dejaron de brillar, el grafito tenía otros planes: el calor continuaba fluyendo hasta que las crestas calientes se volvían más frías que los huecos. Era como si la superficie de cocción se hubiera congelado en el momento en que la apagó y no se enfrió gradualmente a temperatura ambiente. "Es extraño, el calor no debería hacer eso".

Y ciertamente no debería hacerlo a tan alto nivel.las temperaturas Además, el experimento de Duncan nos permitió establecer un límite de alta temperatura en el que se manifiesta el segundo sonido: aproximadamente 120 Kelvin, más de 10 veces más que en las mediciones anteriores.

¿Qué aplicaciones prácticas tienen tales resultados?¿Encontrarías en el futuro? Primero, las manipulaciones de temperatura, en lugar del enfriamiento criogénico, son más prácticas. En segundo lugar, el grafito es un material bastante común. Estas dos propiedades ayudarán a los ingenieros a superar el grave problema de la gestión del calor en la microelectrónica. Solo imagine que el calor se disipará a la velocidad del sonido, permitiendo que los materiales y dispositivos se enfríen mucho más rápido.

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