Квантовый феномен второго звука зафиксировали при рекордной температуре

Физики обнаружили волнообразное распространение тепла в графите при температуре 120 кельвинов. Это явление называется вторым звуком, так как напоминает распространение колебаний в воздухе, но является чисто квантовым эффектом и обеспечивает исключительно высокий темп теплообмена. Ранее данный феномен наблюдался лишь для небольшого количества веществ, причем во всех случаях при температуре не более 20 кельвинов, то есть значительно ближе к абсолютному нулю, сообщают ученые в Science.

При охлаждении вещества до экстремально низких температур могут появляться новые квантовые явления. Наиболее известны (и были первыми открыты) сверхтекучесть и сверхпроводимость. Однако помимо них в различных системах может наблюдаться значительное разнообразие явлений. В частности, известен эффект второго звука, то есть колебаний температуры и энтропии, которые по динамике похожи на звук в воздухе и значительно отличаются от стандартного механизма теплообмена — диффузии. В результате второй звук может обеспечивать значительно более высокую скорость передачи тепла.

При нормальных условиях теплопередача в твердых телах обеспечивается движением молекул, свободных электронов и фононов — квазичастиц, соответствующих квантам колебаний кристаллической решетки вещества. При комнатной температуре скорости хаотического движения частиц велики, из-за чего происходит частые столкновения и рассеяния, благодаря чему тепло на больших масштабах распространяется со скоростью диффузии. Однако при охлаждении неметаллических кристаллов до температуры около десяти кельвинов фононы начинают перемещаться на макроскопические расстояния без рассеяний, то есть фактически движутся согласно уравнениям кинематики. В таком случае перемещение прямо пропорционально времени, в то время как в случае диффузии растет лишь как его квадратный корень.

В специфическом переходном случае, называемом также фононной гидродинамикой, могут возникать волны фононной плотности, которые макроскопически будут проявляться в виде температурных волн. Именно этот процесс и называется вторым звуком. Ранее он был известен для очень небольшого списка веществ, таких как сверхтекучий гелий-3, кристаллы висмута и фторида натрия, а также некоторые другие. Теоретические оценки и вычисления свидетельствуют, что подходящий режим может быть более распространен в мире двумерных материалов. В работе под руководством Кита Нельсона (Keith A. Nelson) из Массачусетского технологического института описываются эксперименты по обнаружению второго звука в графите — минерале из углерода со слоистой структурой из двумерный листов.

Авторы направляли на образец графита два лазерных импульса, которые вследствие интерференции создавали на его поверхности изогнутый в виде синусоиды источник тепла. Благодаря термическому расширению вещества на поверхности появлялась микроскопическая рябь. Дифракция дополнительного лазера на этих неоднородностях позволила измерить распределение температуры по поверхности тела и его временную эволюцию. Если бы теплообмен проходил в обычном режиме, то рябь на поверхности постепенно сгладилась. Однако в опыте было зарегистрировано совсем иное поведение: распределение температуры со временем изменилось на противоположное, то есть наиболее нагретые области постепенно стали самыми холодными и наоборот — возникла стоячая температурная волна. Для реализации такого состояния необходимо, чтобы в некоторые моменты времени тепло двигалось из более холодных областей к более горячим, что невозможно в обычной ситуации и является признаком волнообразного распространения тепла в случае второго звука.

Авторы пишут, что наиболее важным выводом работы является подтверждение оценок, согласно которым второй звук должен быть характерен для графена — двумерного материала из углерода, отдельного слоя графита. Возможно, что в графене второй звук будет наблюдаться даже при комнатной температуре. Это позволит создать принципиально новые способы отвода тепла, которые могут приходиться в микроэлектронике будущего. «Существует огромный запрос на создание все меньших и плотно упакованных компонентов для таких устройств, как компьютеры и электроника, но управление потоками тепла становится все труднее на малых масштабах, — говорит Нельсон. — Существуют веские причины верить, что второй звук может быть более выражен в графене, даже при комнатной температуре. Если окажется, что графен может эффективно проводить тепло в виде волн, то это однозначно будет замечательно».

О современном взгляде на квантовые явления вблизи абсолютного нуля мы писали в материале «Ниже критической температуры». Подробнее о фононах можно узнать, посетив «Зоопарк квазичастиц». Недавно было сделано предсказания, что этим частицам можно приписать эффективно отрицательную массу.

Тимур Кешелава.