Unmögliche Szenario: die Wissenschaftler beobachteten die Bewegung der Wärme auf die Schallgeschwindigkeit

Ryan Duncan erstarrte. Nur dass er ein neues Experiment zur Erforschung des normalen Graphit — jener, deren Stab Bleistift — aber die Ergebnisse sind physisch unmöglich schien: die Wärme, die in der Regel verflüchtigt sich langsam, ging durch Graphit mit Schallgeschwindigkeit. Es ist wie stellen Sie einen Topf mit Wasser auf eine heiße Platte und statt zu zählen, die eine lange Minute, bis das Wasser kocht, beobachten, wie es sofort beginnt zu Kochen.

Mit welcher Geschwindigkeit breitet sich die Wärme?

Kein Wunder, dass Duncan, Doktorand des Massachusetts Institute of Technology, konnte meinen Augen nicht trauen. Um sicherzustellen, dass er sich nicht geirrt, musste viermal überprüfen Sie alles, was zu installieren war, wieder ein Experiment starten und arrangieren eine gute Pause. «Ich habe versucht zu schlafen, wissend, dass ich nicht bestimmen, ob das Experiment erfolgreich ist oder nicht, noch ein paar Stunden trennen, aber es war ziemlich schwierig», erinnert er sich. Wenn am nächsten morgen der Wecker Duncan klingelt, ist er gerade im Schlafanzug lief zum Computer und scannte neue Dimensionen. Die Ergebnisse war immer das gleiche: Wärme bewegte sich unglaublich schnell.

Die Ergebnisse Ihrer Arbeit Duncan veröffentlichte in der Zeitschrift Science. Dieses Phänomen, bekannt als «zweite Ton», führt der Physiker ins Schwärmen — zum Teil, weil die können den Weg ebnen zum fortgeschrittenen Mikroelektronik, und teilweise, weil es ein sehr seltsames Phänomen.

Um zu verstehen, stellen Sie sich vor, wie die Wärme durch die Luft bewegt. Es vertragen Molekülen, die ständig miteinander kollidieren und Wärme in alle Richtungen: vorwärts, seitwärts und sogar rückwärts. Diese grundlegende Ineffizienz macht Leitfähigkeit von Wärme relativ langsam (Strahlungswärme, im Vergleich, bewegt sich mit der Geschwindigkeit des Lichts in Form von Infrarotstrahlung). Das gleiche Langsamkeit bleibt für die Wärme, die bewegt sich durch den Körper. Hier фононы (Pakete akustischer Vibrations-Energie) Wärme vertragen wie die Moleküle in der Luft, indem Sie ihn in alle Richtungen zu zerstreuen und sich langsam zu zerfallen. «Ein bisschen wie das, wenn Sie einen Tropfen Lebensmittelfarbe in das Wasser und geben es sich zu verbreiten», sagt Kate Nelson, der Berater Duncan zu . «Es bewegt sich nicht gerade wie ein Pfeil vom Ort des Erfolgs». Aber es ist eine Folge der Duncan war aus dem Experiment. Im zweiten Klang inverse Streuung der Phononen stark подавилось, wodurch die Wärme der Schuss nach vorne. Bewegung charakteristische. «Wenn Sie im Pool und starten von der Welle, Sie von Euch Weggehen. Aber für die Hitze ist abnormales Verhalten».

Ein Zweiter Klang zum ersten mal entdeckt wurde in flüssigem Helium 75 Jahren und später noch in drei festen Körpern. «Alle Anzeichen deuteten darauf hin, dass es beschränkt sich auf eine kleine Anzahl von Materialien und manifestieren bei sehr niedrigen Temperaturen». Wissenschaftler dachten, dass Sie in eine Sackgasse geraten. Es war nicht klar, was noch sein kann ein zweiter Klang wissenschaftliche Bestätigung darüber, so viele Jahre dieses Gebiet war ohne Nachrichten.

Aber eine erhebliche Verbesserung in der numerischen Simulation wir beleben diesen Bereich vor etwa fünf Jahren, und die Wissenschaftler erkannten, dass dieses Phänomen möglicherweise häufiger. Ganges Chen, Ingenieur vom Massachusetts Institute of Technology, zum Beispiel, konnte voraussagen, dass der zweite Ton kann sich in Grafite mit einem eher mildere Temperaturen. Diese Vorhersage зарядило Duncan, die getestet und, schließlich, stieß auf widersprüchliche Ergebnisse.

Erstens, Duncan hob die Wärme in der Probe Graphit mit zwei gekreuzten Laserstrahlen für die Schaffung Interferenzmuster — abwechselnd helle und dunkle Bereiche, die den Bergrücken und Hohlräume entgegenkommenden Lichtwellen. Zunächst Kämme Graphit erhitzt, und die Vertiefungen blieben kühl. Aber sobald Duncan musste ausschalten der Laser, das Bild sollte langsam anfangen sich zu verändern, und die Wärme — fließen der heißen Grate in kalten Mulden. Das Experiment würde sein Ende, wenn die gesamte Probe eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht haben. Zumindest das, was normalerweise der Fall ist. Aber wenn der Laser aufgehört zu Leuchten, bei Graphit hatte andere Pläne: die Wärme weiter fließen, bis das heiße Wetter kälter geworden, als die Vertiefungen. Als ob die Kochfläche war eiskalt in diesem Moment, wenn Sie Sie abschalteten, und nicht allmählich abgekühlt auf Umgebungstemperatur. «Es ist seltsam — die Wärme sollte nicht so tun».

Und sicherlich sollte nicht so tun, bei diesen hohen Temperaturen. Auch Duncan Experiment ergab die Grenze der hohen Temperatur, bei der zeigt sich ein zweiter Klang: rund 120 Kelvin — mehr als 10 mal höher als bei früheren Messungen.

Welche praktischen Anwendung solche Ergebnisse würden in der Zukunft? Erstens, Manipulationen mit der Temperatur, aber nicht mit kälteerzeugenden Kühlung, mehr als praktisch. Zweitens, Graphit — durchaus verbreitete Material. Diese beiden Eigenschaften helfen den Ingenieuren, das akute Problem zu überwinden Thermomanagement in der Mikroelektronik. Stellen Sie sich vor, dass die Wärme abgeführt wird mit der Schallgeschwindigkeit, so dass die Materialien und die Geräte viel schneller abkühlen.

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