Главная » Hi-Tech » Невозможный сценарий: ученые наблюдали движение тепла на скорости звука

Невозможный сценарий: ученые наблюдали движение тепла на скорости звука

Только что он провел новый эксперимент по исследованию обычного графита — того самого, их стержня карандаша — но результаты казались невозможными физически: тепло, которое обычно рассеивается медленно, проходило через графит со скоростью звука. Райан Дункан застыл. Это все равно что поставить кастрюлю с водой на горячую плиту и вместо того, чтобы отсчитывать долгие минуты, пока вода не закипит, наблюдать, как она сразу же закипает.

С какой скоростью распространяется тепло?

Чтобы убедиться, что он не ошибся, пришлось четыре раза перепроверить все, что было в установке, снова запустить эксперимент и устроить хороший перерыв. Неудивительно, что Дункан, аспирант Массачусетского технологического института, не мог поверить своим глазам. Когда на следующее утро будильник Дункана зазвенел, он прямо в пижаме побежал к компьютеру и просмотрел новые измерения. «Я попытался поспать, зная, что не смогу определить, был ли эксперимент успешным или нет, еще несколько часов, но отключиться было довольно трудно», вспоминает он. Результаты был все тем же: тепло двигалось невероятно быстро.

Это явление, известное как «второй звук», приводит физиков в восторг — отчасти потому, что может проложить путь к продвинутой микроэлектронике, и отчасти потому, что это очень странное явление. Результаты своей работы Дункан опубликовал в журнале Science.

Оно переносится молекулами, которые постоянно сталкиваются между собой и рассеивают тепло во всех направлениях: вперед, вбок и даже назад. Чтобы понять, просто представьте, как тепло перемещается по воздуху. Та же медлительность сохраняется для тепла, которое движется через твердое тело. Эта фундаментальная неэффективность делает проводимость тепла относительно медленной (лучистое тепло, по сравнению, движется на скорости света в виде инфракрасного излучения). «Немного похоже на то, если поместить каплю пищевого красителя в воду и дать ему растечься», говорит Кейт Нельсон, советник Дункана в MIT. Здесь фононы (пакеты акустической вибрационной энергии) переносят тепло подобно молекулам в воздухе, позволяя ему рассеиваться во всех направлениях и медленно распадаться. Но именно такое следствие Дункан получил из эксперимента. «Оно движется не по прямой, как стрела, от места попадания». Движение волновое. Во втором звуке обратное рассеяние фононов сильно подавилось, в результате чего тепло выстрелило вперед. Но для тепла это ненормальное поведение». «Если вы находитесь в бассейне и запускаете от себя волну, она от вас уйдет.

«Все признаки указывали на то, что он будет ограничен небольшим количеством материалов и проявляться при очень низких температурах». Второй звук впервые был обнаружен в жидком гелии 75 лет назад и впоследствии еще в трех твердых телах. Не было понятно, чем еще может быть второй звук кроме научного утверждения, поэтому многие годы эта область была без новостей. Ученые думали, что зашли в тупик.

Ганг Чен, инженер из Массачусетского технологического института, например, смог предсказать, что второй звук может проявиться в графите при довольно мягких температурах. Однако значительные улучшения в численном моделировании помогли возродить эту область примерно пять лет назад, и ученые признали, что это явление может быть более распространенным. Это предсказание зарядило Дункана, который проверил его и, в конечном итоге, натолкнулся на противоречивые результаты.

Вначале гребни нагревали графит, а впадины оставались прохладными. Во-первых, Дункан отводил тепло в образец графита, используя два скрещенных лазерных луча для создания интерференционной картины — чередуя яркие и темные области, которые соответствуют гребням и впадинам встречных световых волн. Эксперимент достиг бы своего конца, когда весь образец достиг бы однородной температуры. Но как только Дункан должен был выключить лазеры, картина должна была начать медленно меняться, а тепло — перетекать из горячих гребней в холодные впадины. Но когда лазеры перестали светиться, у графита были другие планы: тепло продолжало течь, пока горячие гребни не стали холоднее, чем впадины. По крайней мере, так обычно и происходит. «Это странно — тепло не должно так делать». Как будто варочная поверхность стала ледяной в тот момент, когда вы ее выключили, а не остыла постепенно до температуры окружающей среды.

Также эксперимент Дункана позволил установить предел высокой температуры, при которой проявляется второй звук: порядка 120 Кельвинов — более чем в 10 раз выше, чем в ходе предыдущих измерений. И уж точно не должно так делать при таких высоких температурах.

Во-первых, манипуляции с температурой, а не с криогенным охлаждением, более практичны. Какие практические применения такие результаты нашли бы в будущем? Эти два свойства помогут инженерам преодолеть острую проблему управления теплом в микроэлектронике. Во-вторых, графит — вполне распространенный материал. Только представьте, что тепло будет рассеиваться со скоростью звука, позволяя материалам и устройствам остывать намного быстрее.

Обсудить открытие можно в нашем чате в Телеграме.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Кто-то пытается продать тираннозавра на eBay. Палеонтологи негодуют

Окаменелость, обнаруженная в 2013 году монтанцем по имени Алан Детрич, экспонируется в Музее естественной истории Канзасского университета с 2017 года. Опытные пользователи eBay наверняка заметили единственный в своем роде предмет,  выставленный на аукцион: окаменелость ребенка тираннозавра, погибшего около 68 миллионов ...

Создатель CRISPR-близнецов попал в список влиятельных людей по версии Time. Но вряд ли обрадуется этому

Но точно не в этом смысле. Хе Цзянькуй — тот самый, который сейчас находится под стражей в Китае за создание генномодифицированных близнецов — хотел стать знаменитым. Но раскрыть профиль Цзянькуя поручили одному из изобретателей CRISPR — Дженнифер Дудне. Редакция Time ...