Невозможный сценарий: ученые наблюдали движение тепла на скорости звука

Райан Дункан застыл. 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. 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?

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

Результаты своей работы Дункан опубликовал в журнале Science. 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.

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

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

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

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. Вначале гребни нагревали графит, а впадины оставались прохладными. Но как только Дункан должен был выключить лазеры, картина должна была начать медленно меняться, а тепло — перетекать из горячих гребней в холодные впадины. Эксперимент достиг бы своего конца, когда весь образец достиг бы однородной температуры. По крайней мере, так обычно и происходит. Но когда лазеры перестали светиться, у графита были другие планы: тепло продолжало течь, пока горячие гребни не стали холоднее, чем впадины. Как будто варочная поверхность стала ледяной в тот момент, когда вы ее выключили, а не остыла постепенно до температуры окружающей среды. «Это странно — тепло не должно так делать».

И уж точно не должно так делать при таких высоких температурах. 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.

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