Eksotisk andet lydfænomen observeret i blyant

Næste gang du sætter en kedel i kog, overvej dette scenario:Efter slukning af brænderen, i stedet for at blive varm og langsomt varme det omgivende køkken og komfur, kedlen afkøler hurtigt til stuetemperatur, og dens varme skyller væk i form af en kogende varm bølge.

Vi ved, at varme ikke opfører sig sådan i vores daglige omgivelser. Men nu har MIT -forskere observeret denne tilsyneladende usandsynlige varmetransportform, kendt som "anden lyd, "i et temmelig almindeligt materiale:grafit - ting af blyant.

Ved temperaturer på 120 kelvin, eller -240 grader Fahrenheit, de så tydelige tegn på, at varme kan bevæge sig gennem grafit i en bølgelignende bevægelse. Punkter, der oprindeligt var varme, efterlades øjeblikkeligt kolde, når varmen bevæger sig hen over materialet tæt på lydens hastighed. Adfærden ligner den bølgelignende måde, hvorpå lyd bevæger sig gennem luften, så forskere har kaldt denne eksotiske varmetransportform "anden lyd."

De nye resultater repræsenterer den højeste temperatur, ved hvilken forskere har observeret anden lyd. Hvad mere er, grafit er et kommercielt tilgængeligt materiale, i modsætning til mere ren, svært at kontrollere materialer, der har vist anden lyd ved 20 K, (-420 F) —temperaturer, der ville være alt for kolde til at køre praktiske applikationer.

Opdagelsen, udgivet i Videnskab , tyder på, at grafit, og måske dens højtydende slægtning, grafen, kan effektivt fjerne varme i mikroelektroniske enheder på en måde, der tidligere ikke blev genkendt.

"Der er et kæmpe skub for at gøre tingene mindre og tættere på enheder som vores computere og elektronik, og termisk styring bliver vanskeligere på disse skalaer, "siger Keith Nelson, Haslam og Dewey professor i kemi ved MIT. "Der er god grund til at tro, at anden lyd kan være mere udtalt i grafen, selv ved stuetemperatur. Hvis det viser sig, at grafen effektivt kan fjerne varme som bølger, det ville helt sikkert være vidunderligt. "

Resultatet kom fra et langvarigt tværfagligt samarbejde mellem Nelsons forskningsgruppe og Gang Chen, Carl Richard Soderberg professor i maskinteknik og kraftteknik. MIT-medforfattere på papiret er hovedforfattere Sam Huberman og Ryan Duncan, Ke Chen, Bai sang, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding, og Alexei Maznev.

"I ekspressbanen"

Normalt, varme bevæger sig gennem krystaller på en diffus måde, båret af "fononer, "eller pakker med akustisk vibrationsenergi. Den mikroskopiske struktur af ethvert krystallinsk faststof er et gitter af atomer, der vibrerer, når varme bevæger sig gennem materialet. Disse gittervibrationer, fononerne, i sidste ende føre varmen væk, sprede det fra dets kilde, selvom kilden fortsat er den varmeste region, meget som en kedel, der gradvist afkøles på et komfur.

Kedlen forbliver det varmeste sted, fordi som varme transporteres væk af molekyler i luften, disse molekyler er konstant spredt i alle retninger, herunder tilbage mod kedlen. Denne "tilbagespredning" forekommer også for fononer, holde den oprindelige opvarmede region af et faststof det varmeste sted, selvom varme diffunderer væk.

Imidlertid, i materialer, der udviser anden lyd, denne tilbagespredning er stærkt undertrykt. Phonons sparer i stedet fart og skyder væk i massevis, og varmen, der er lagret i fononerne, transporteres som en bølge. Dermed, det punkt, der oprindeligt blev opvarmet, afkøles næsten øjeblikkeligt, tæt på lydens hastighed.

Tidligere teoretisk arbejde i Chens gruppe havde foreslået, at, inden for en række temperaturer, fononer i grafen kan overvejende interagere på en momentumbevarende måde, angiver, at grafen kan udvise anden lyd. Sidste år, Huberman, medlem af Chens laboratorium, var nysgerrig om dette kunne være sandt for mere almindelige materialer som grafit.

Baseret på værktøjer, der tidligere er udviklet i Chens gruppe for grafen, han udviklede en indviklet model til numerisk simulering af transport af fononer i en prøve af grafit. For hver fonon, han holdt styr på enhver mulig spredningshændelse, der kunne finde sted med hver anden fonon, baseret på deres retning og energi. Han kørte simuleringerne over en række temperaturer, fra 50 K til stuetemperatur, og fandt ud af, at varme kan strømme på en måde, der ligner anden lyd ved temperaturer mellem 80 og 120 K.

Huberman havde samarbejdet med Duncan, i Nelsons gruppe, på et andet projekt. Da han delte sine forudsigelser med Duncan, eksperimentelisten besluttede at sætte Hubermans beregninger på prøve.

"Dette var et fantastisk samarbejde, "Chen siger." Ryan droppede stort set alt for at lave dette eksperiment, på meget kort tid. "

"Vi var virkelig i ekspressbanen med dette, "Tilføjer Duncan.

Opadgående norm

Duncans eksperiment centreret omkring et lille, 10-kvadrat-millimeter prøve af kommercielt tilgængelig grafit.

Ved hjælp af en teknik kaldet forbigående termisk gitter, han krydsede to laserstråler, så interferensen af ​​deres lys genererede et "krusning" mønster på overfladen af ​​en lille prøve af grafit. Områderne i prøven, der ligger til grund for krusningens kam, blev opvarmet, mens de, der svarede til krusningens trug, forblev uopvarmede. Afstanden mellem toppene var omkring 10 mikron.

Duncan skinnede derefter på prøven en tredje laserstråle, hvis lys blev afbøjet af krusningen, og dets signal blev målt af en fotodetektor. Dette signal var proportional med højden af ​​krusningsmønsteret, som afhang af, hvor meget varmere kamene var end trugene. På denne måde, Duncan kunne spore, hvordan varmen strømmede hen over prøven over tid.

Hvis varmen skulle strømme normalt i prøven, Duncan ville have set overfladekrusningerne langsomt aftage, da varmen flyttede fra kamme til trug, vaske krusningsmønsteret væk. I stedet, han observerede "en helt anden adfærd" ved 120 K.

I stedet for at se toppene gradvist forfalde til samme niveau som trugene, da de blev afkølet, kamene blev faktisk køligere end trugene, så krusningsmønsteret blev omvendt - hvilket betyder, at for noget af tiden, varme faktisk flød fra køligere områder til varmere områder.

"Det er helt i modstrid med vores hverdag, og til termisk transport i næsten alle materialer ved enhver temperatur, "Siger Duncan." Det lignede virkelig anden lyd. Da jeg så dette, måtte jeg sidde ned i fem minutter, og jeg sagde til mig selv, 'Det kan ikke være virkeligt.' Men jeg kørte eksperimentet natten over for at se, om det skete igen, og det viste sig at være meget reproducerbart. "

Ifølge Hubermans forudsigelser, grafits todimensionale slægtning, grafen, kan også udvise egenskaber ved anden lyd ved endnu højere temperaturer, der nærmer sig eller overstiger stuetemperatur. Hvis dette er tilfældet, som de planlægger at teste, så kan grafen være en praktisk mulighed for afkøling af stadig tættere mikroelektroniske enheder.

"Dette er et af et lille antal karrierehøjdepunkter, som jeg ville se på, hvor resultaterne virkelig ophæver den måde, du normalt tænker på noget, "Siger Nelson." Det er blevet mere spændende ved, at, alt efter hvor det går herfra, der kan være interessante applikationer i fremtiden. Der er ingen spørgsmål fra et grundlæggende synspunkt, det er virkelig usædvanligt og spændende. "