Forskere har set noget magisk ske inden i grafit, det, som din blyant bly er lavet af: Varme bevæget i bølger med lydens hastighed.
Det er temmelig rad af et par grunde: Varme skal ikke bevæge sig som en bølge - det diffunderer normalt og springer ud af jigglende molekyler i alle retninger; Hvis varmen kan bevæge sig som en bølge, kan den bevæge sig i en retning i masser væk fra dens kilde og sortere energi på en gang fra et objekt. En eller anden dag kunne denne varmeoverførselsadfærd i grafit bruges til at afkøle mikroelektronik på et øjeblik. Det vil sige, hvis de kan få det til at fungere en fornuftig temperatur (de arbejdede i knogletemperaturer på minus 240 grader Fahrenheit eller minus 151 grader Celsius).
"Hvis det gør det til stuetemperatur i nogle materialer, ville der være udsigter til nogle anvendelser," siger forsker Keith Nelson, en MIT-kemiker, til Live Science og tilføjede, at dette er den højeste temperatur, nogen har set denne opførsel opstå.
Gå på varmetoget
Forskerne beskrev "normal" varmebevægelse ved hjælp af en opvarmet kedel - Efter at have slukket brænderen, løber den varmeenergi en tur på luftmolekyler, der støder ind i hinanden og afleverer varme i processen. Disse molekyler spretter rundt i alle retninger; nogle af disse molekyler spreder sig lige tilbage til kedlen. Over tid når kedelvandet og omgivelserne ligevægt ved den samme temperatur.
I faste stoffer bevæger molekylerne sig ikke, fordi atomerne er låst på plads. "Det, der kan bevæge sig, er lydbølger," sagde Nelson, der talte med Live Science sammen med medforfatter Gang Chen, en maskiningeniør hos MIT.
Varm snarere hop på fononer eller små pakker med lydvibration; fononerne kan hoppe og sprede og bære varme, som luftmolekyler gør fra kedlen.
En mærkelig hetebølge
Det var ikke, hvad der skete i dette nye eksperiment.
Tidligere teoretisk arbejde fra Chen forudsagde, at varme kan rejse som en bølge, når de bevæger sig gennem grafit eller grafen. For at teste dette krydsede MIT-forskerne to laserstråler på overfladen af deres grafit og skabte det, der kaldes et interferensmønster, hvor der var parallelle lyslinjer og intet lys. Dette skabte det samme mønster af opvarmede og uopvarmede regioner på grafitoverfladen. Derefter sigtede de en anden laserstråle mod opsætningen for at se, hvad der skete, når det ramte grafitten.
"Normalt ville varmen gradvist diffundere fra de opvarmede regioner til de uopvarmede regioner, indtil temperaturmønsteret blev vasket væk," sagde Nelson. "I stedet flød varmen fra opvarmet til uopvarmede regioner og fortsatte med at flyde, selv efter at temperaturen var udlignet overalt, så de uopvarmede regioner var faktisk varmere end de oprindeligt opvarmede regioner." I mellemtiden blev de opvarmede regioner endnu køligere end de uopvarmede regioner. Og det hele skete betagende hurtigt - med omtrent den samme hastighed, som lyden normalt bevæger sig i grafit.
"Varmen flydede meget hurtigere, fordi den bevægede sig på en bølgelignende måde uden at sprede sig," fortalte Nelson til Live Science.
Hvordan fik de denne underlige opførsel, som forskerne kalder "anden lyd", til at forekomme i grafit?
"Fra et grundlæggende perspektiv er dette bare ikke almindelig opførsel. Anden lyd er kun blevet målt i en håndfuld materiale nogensinde, ved enhver temperatur. Alt, hvad vi observerer, er langt ude af det almindelige udfordrer os til at forstå og forklare det," sagde Nelson .
Her er, hvad de tror, foregår: Grafit eller et 3D-materiale har en lagdelt struktur, hvor de tynde kulstoflag næppe ved, at den anden er der, og derfor opfører de sig som grafen, som er et 2D-materiale. På grund af det, Nelson kalder denne "lave dimensionalitet", er fononerne, der bærer varmen i et lag af grafitten, meget mindre tilbøjelige til at hoppe om og sprede andre lag. Desuden har de fononer, der kan dannes i grafit, bølgelængder, der for det meste er for store til at reflektere baglæns, efter at de styrtede ned i atomer i gitteret, et fænomen kendt som backscatter. Disse små lydpakker spreder sig lidt, men rejser for det meste i en retning, hvilket betyder, at de i gennemsnit kunne rejse en stor afstand meget hurtigere.
Redaktørens note: Denne artikel blev opdateret for at tydeliggøre nogle af metoderne i eksperimentet og det faktum, at varmen kørte med omtrent den samme hastighed, som lyden ville rejse gennem grafit, ikke luft, som tidligere nævnt.
