外来的“第二声音”的现象在铅笔芯观察



下次你设置一个水壶烧开时,请考虑以下情况:在打开燃烧器关闭,而不是停留热慢慢升温周围的厨房和炉灶后,反应迅速冷却至室温,其热量的形式突飞猛进远沸热波。

我们知道热不这样的行为,在我们日常的日常环境。 - 铅笔芯的石墨的东西。但如今澳门太阳城官网(备用网站)的研究人员已经在一个相当普遍的材料中观察到的热传递,被称为这个看似令人难以置信的模式“第二个声音,”。

研究人员发现的证据表明,热透石墨相似,通过气道声音的移动动作。图像:克里斯蒂娜达尼洛夫

在120开尔文,或-240华氏度的温度下,他们看到明显的迹象表明热可以以波浪运动通过石墨行进。这原本温暖点留下瞬间感冒,因为在接近音速的速度穿过材料的热量移动。行为类似于其声音在空气中传播的波浪路,于是科学家们戏称为热传输的这种奇特的方式“第二个声音。”  

新的结果表示在科学家已经观察到第二声音的最高温度。更重要的是,石墨是市售获得的原料,相比于更纯净,难以控制,在20k的都展出了第二个声音的材料,(-420 F) - 温度,这将是迄今为止太冷运行任何实际应用。

发现,发表在今天 科学,表明石墨,也许其高性能相对,石墨烯,可以有效地在某种程度上,这是以前未识别的微电子器件移除热量。

“有一个巨大的推动,使事情就像我们的电脑和电子器件越来越密集,热管理,在这些尺度变得更加困难,”基思·尼尔森,在澳门太阳城官网(备用网站)化学哈斯拉姆和杜威教授说。 “有充分的理由相信,第二个声音可能是石墨烯更明显,即使在室温下。如果事实证明石墨烯能有效带走热量为波浪,那肯定将是美好的。”

结果出来了尼尔森的研究小组之间的长期运行的跨学科合作的和陈刚,机械工程和电力工程的卡尔·理查德·索德伯格教授。在纸张澳门太阳城官网(备用网站)共同作者是主要作者山姆休伯曼和瑞安 - 邓肯,陈柯,柏松,vazrik chiloyan,志伟丁,和阿列克谢maznev。

“在快车道”

通常,热通过在漫射方式晶体,通过“声子”,或声学振动能量的报文中携带行进。任何结晶固体的微观结构是作为振动通过材料热移动原子的晶格。这些晶格振动,声子,最终带走热量,从其源扩散它,尽管这源保持最热区域,很像一个水壶上的炉子逐渐冷却。

该反应釜保持最温暖的点因为热量在空气带走的分子,这些分子都在不断分散在每一个方向,包括向后朝向釜中。这种“反向散射”为声子发生,以及,保持即使热扩散路程固体最热点的原始加热区域。

然而,在显示出的第二声音的材料,此背散射在很大程度上抑制。声子代替保存动量和猛冲远离集体,并存储在声子的热被携带作为波。因此,最初加热的点几乎立即冷却,在接近声速的速度。

在Chen的组前面的理论工作曾建议,一个温度范围内,在石墨烯声子可以主要在一个动量守恒方式相互作用,这表明石墨烯可以表现出第二声音。去年,休伯曼,陈的实验室中的一员,很好奇这是否可能是像石墨更加普遍的材料真实。

在建设以前在陈氏集团石墨烯开发的工具,他开发了一个复杂的模型,数值模拟石墨的样品中声子的运输。每个声,一个劲地说可能发生与所有其他每个声子散射可能事件的跟踪,根据其方向和能量。他跑模拟在温度范围内的,从50 k以室温,并发现,热可能以类似于第二声音在80和120 K的温度的方式流动。

休伯曼一直在与邓肯的合作,在尼尔森的研究小组的另一个项目。当他分享了他与邓肯预言,实验者决定把休伯曼的计算与测试。

“这是一个了不起的合作,”陈说。 “瑞安基本上放弃了一切做这个实验,在很短的时间。”

“我们在这个快递车道真的,”邓肯补充道。

颠覆常态

邓肯的实验围绕着市售石墨的小,10平方毫米的样品。

使用称为瞬态热光栅技术,他越过两个激光束,使得它们的光的干涉而产生的石墨的小样品的表面上的“波纹”图案。基础的波纹的波峰样品的区域被加热,而那些对应于脉动的波谷保持不加热。波峰之间的距离为约10微米。

邓肯然后照射到样品上的第三激光束,其光通过所述波纹衍射,并且其信号由光检测器测定。这个信号是正比于波纹图案的高度,这取决于波峰多少热比波谷。这样,邓肯可以跟踪热量在样品如何流过的时间。

如果热是与样品中正常流动,邓肯会看到的表面的波纹减少缓慢热从波峰移动到槽,洗涤波纹图案程。相反,他观察到在120 K“是完全不同的行为”。

而不是看到波峰逐渐衰减到相同的水平槽,因为它们冷却,波峰实际上变得比槽冷却器,从而使波纹图案颠倒 - 这意味着对于一些时间,热实际上是从较冷的区域流入到较温暖的地区。

“在任何温度下是完全违背了我们的日常经验,以及热传递在几乎所有的材料,”邓肯说。 “这真的看起来像第二个声音。当我看到这个我不得不坐下来五分钟,我对自己说,“这不可能是真的。”但我跑了一夜的实验,看看它是否再次发生,这被证明是非常可重复的。”

根据胡伯曼的预测,石墨的二维相对,石墨烯,也可在接近或超过室温甚至更高的温度下表现出的第二声音的性质。如果这是他们计划测试的情况下,石墨烯然后可以用于冷却不断更致密的微电子器件一个实际的选择。

“这是一个小数目职业生涯中的一个突出,我会看,其中成绩着实颠覆你平时想的东西的方式,”尼尔森说。 “它是由更令人兴奋的事实是,取决于它从这里去,有可能在未来有趣的应用。有没有从根本上来看问题,这是不寻常的真正的和令人兴奋“。

这项研究是由海军研究办公室,能源部和美国国家科学基金会提供部分资助。