Эффект второго звука наблюдали при рекордно высокой температуре

Ученые Массачусетского технологического университета провели эксперимент, продемонстрировавший распространение в графите (том самом, который грифель карандаша) необычных тепловых колебаний при -150 °С. Результаты были опубликованы в журнале Science.

Что такое звук? Это волна распространяющихся продольных колебаний (периодических сжатий и разрежений) упругой среды, характеризующихся частотой и амплитудой. Кроме того, в твердых телах возможны звуковые волны, несущие осцилляции перпендикулярно направлению распространения. Частицы колеблются с большой амплитудой — звук выходит громкий, частицы колеблются быстро — высокий.

Что такое второй звук? Это колебания не плотности, а тепла: «горячие» частицы колеблются относительно остального массива молекул. Однако если проводить колебания температуры в обыкновенной жидкости, они быстро затухают — второй звук зарегистрировать невозможно. Впервые его существование предсказал Лев Давидович Ландау, а «услышал» Василий Петрович Пешков на жидком гелии при температуре порядка -250 °С.

Райан Дункан, аспирант физико-химических наук и сотрудник Массачусетского технологического университета, наблюдал на графите при температуре -150 °С, как тепло проходит через материал волнами, и зафиксировал второй звук. На данный момент это представляет собой самую высокую температуру, при которой ученые когда-либо наблюдали второй звук.

Эксперимент заключался в следующем: на графит направляли два лазерных луча так, что их интерференция создавала волновую картину. Области, лежащие под гребнями волн, были нагреты, а те, что соответствовали впадинам, оставались холодными. Расстояние между гребнями составляло порядка 10 мкм.

Затем на образец направляли третий луч, свет которого рассеивался волновой решеткой первых двух. Фотодетектор давал возможность оценивать амплитуду волн, которая говорила о том, насколько гребни горячее, чем впадины. Таким образом Дункан и его коллеги могли отслеживать, как тепло проходит по образцу с течением времени.

Классически теплопередача приводит к угасанию поверхностных колебаний по мере того, как тепло переходит от гребней к впадинам. В действительности же наблюдали периодичные переходы от классического, «нормального» распределения к инвертированному и обратно. В периоды инверсии температура передавалась от холодных областей в горячие регионы.

«Это полностью противоречит нашему повседневному опыту и процессу теплопередачи практически во всех существующих материалах», — комментирует Дункан.

В настоящий момент исследовательская группа уже планирует эксперименты с графеном — двумерным родственником графита. Возможно, он воспроизведет второй звук при еще более высоких температурах. Если так, то соединение будет необычайно полезно в качестве материала для охлаждения микроэлектронных устройств.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.