Forskere har sett noe magisk skje i grafitt, tingene som blyantledningen din er laget av: Varme beveget seg i bølger med lydens hastighet.
Det er ganske strålende av et par grunner: Varmen er ikke ment å bevege seg som en bølge - den diffunderer og spretter vanligvis av fnise molekyler i alle retninger; Hvis varmen kan bevege seg som en bølge, kan den bevege seg i en retning masse bort fra kilden, og sortere energi på en gang fra et objekt. En dag kan denne varmeoverføringsatferden i grafitt brukes til å kjøle ned mikroelektronikk på et blunk. Det vil si at hvis de kan få den til å fungere en fornuftig temperatur (de jobbet i benkjølende temperaturer på minus 240 grader Fahrenheit, eller minus 151 grader celsius).
"Hvis det gjør det til romtemperatur i noen materialer, ville det være utsikter for noen bruksområder," sa forsker Keith Nelson, en MIT-kjemiker, til Live Science, og la til at dette er den høyeste temperaturen noen har sett denne oppførselen oppstå.
Gå på hetetoget
Forskerne beskrev "normal" varmebevegelse ved hjelp av en oppvarmet vannkoker. Etter å ha slått av brenneren, hekter den varmeenergien en tur på luftmolekyler, som støter inn i hverandre og deler av varmen i prosessen. Disse molekylene spretter rundt i alle retninger; noen av disse molekylene sprer seg rett tilbake til kjelen. Over tid når vannkokeren og omgivelsene likevekt ved samme temperatur.
I faste stoffer beveger molekyler seg ikke fordi atomene er låst på plass. "Det som kan bevege seg er lydbølger," sa Nelson, som snakket med Live Science sammen med medforfatter Gang Chen, maskiningeniør ved MIT.
Snarere varm humle på fononer, eller små pakker med lydvibrasjon; fononene kan sprette og spre seg, og bærer varme på samme måte som luftmolekyler gjør fra kjelen.
En merkelig hetebølge
Det var ikke det som skjedde i dette nye eksperimentet.
Tidligere teoretisk arbeid av Chen spådde at varme kan bevege seg som en bølge når du beveger deg gjennom grafitt eller grafen. For å teste dette, krysset MIT-forskerne to laserstråler på overflaten av grafitten sin, og skapte det som kalles et interferensmønster der det var parallelle lyslinjer og ingen lys. Dette skapte det samme mønsteret av oppvarmede og uoppvarmede regioner på grafittoverflaten. Deretter siktet de en annen laserstråle mot oppsettet for å se hva som skjedde når det traff grafitten.
"Normalt vil varmen gradvis diffundere fra de oppvarmede områdene til de uoppvarmede områdene, inntil temperaturmønsteret ble vasket bort," sa Nelson. "I stedet strømmet varmen fra oppvarmede til uoppvarmede regioner, og fortsatte å strømme selv etter at temperaturen var utjevnet overalt, så de uoppvarmede regionene var faktisk varmere enn de opprinnelig oppvarmede områdene." De oppvarmede områdene ble i mellomtiden enda kjøligere enn de uoppvarmede regionene. Og det hele skjedde pustende raskt - med omtrent samme hastighet som lyden normalt beveger seg i grafitt.
"Varmen strømmet mye raskere fordi den beveget seg på en bølgelignende måte uten spredning," sa Nelson til Live Science.
Hvordan fikk de denne rare oppførselen, som forskerne kaller "andre lyd", til å oppstå i grafitt?
"Fra et grunnleggende perspektiv er dette bare ikke vanlig oppførsel. Andre lyd har bare blitt målt i en håndfull materialer noen gang, uansett temperatur. Alt vi observerer er langt utenfor det vanlige utfordrer oss til å forstå og forklare det," sa Nelson .
Her er hva de tror foregår: Grafitt, eller et 3D-materiale, har en lagdelt struktur der de tynne karbonlagene knapt vet at den andre er der, og derfor oppfører de seg som grafen, som er et 2D-materiale. På grunn av det Nelson kaller dette for "lav dimensjonalitet", er det mindre sannsynlig at fononene som bærer varmen i ett lag av grafitten spretter rundt og sprer andre lag. Også fononene som kan dannes i grafitt har bølgelengder som stort sett er for store til å reflektere bakover etter å ha krasjet i atomer i gitteret, et fenomen som kalles bakspredning. Disse små lydpakkene sprer seg litt, men reiser stort sett i en retning, noe som betyr at de i gjennomsnitt kan reise mye større avstand.
Redaktørens merknad: Denne artikkelen ble oppdatert for å tydeliggjøre noen av metodene i eksperimentet og det faktum at varmen reiste med omtrent samme hastighet som lyden ville bevege seg gjennom grafitt, ikke luft, som tidligere nevnt.
