قلم رصاص غريب: اكتشاف صوت ثانٍ في الجرافيت العادي

استيقظ في الصباح بينما تغني الطوقان ، وانظر إلى توقعات الطقس وشاهد نفس +28 ، وارتدي شورتاتك المفضلة واذهب في نزهة في أرجاء المدينة ، وقيادة القرود الوافدة من القمامة ، وتمش على طول زقاق النخيل ، والجلوس على مقعد أمام البحيرة ، وتناول الطعام على طيور النحام. بحلول فصل الشتاء وشراء السراويل القصيرة الأخرى. بالنسبة لشخص ما ، فإن مثل هذا اليوم ليس بالأمر المألوف ، لكن بالنسبة لنا (أعني سكان المناطق المناخية القارية) هذا غريب حقًا. ما علاقة الفلامنجو و الطوقان بالفيزياء؟ وعلى الرغم من حقيقة أن الفيزياء ليست غريبة أيضًا على الأنواع الغريبة ، إلا أنها تتجلى في العمليات والمواد والظواهر التي تختلف إلى حد ما عن القاعدة المقبولة عمومًا. اليوم سنتحدث عن واحدة فقط من هذه الظواهر - الصوت الثاني الذي تم العثور عليه في الجرافيت العادي. ما هو الغريب في ذلك كما وجد العلماء ذلك ويجب أن نشارك حماسهم لاكتشاف؟ سنجد الإجابات ، أين و عادة - لا ، ليس في Google ، لكن في تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

تراجع نظري

الصوت الثاني هو اسم مضحك لهذه الظاهرة ، والتي تشير بشكل غير مباشر إلى الصوت نفسه (إنه على اتصال بسيط بالأكمام ، إذا جاز التعبير). الصوت الثاني عبارة عن ظاهرة ميكانيكية ميكانيكية يتم فيها نقل الحرارة بطريقة تشبه الأمواج ، بدلاً من الانتشار المعتاد. كلمة "صوت" موجودة في اسم هذه العملية بسبب تشابه انتشار موجة الحرارة مع انتشار مماثل للموجات الصوتية.

الموجات الصوتية هي تقلبات في كثافة الجزيئات في مادة ما ، ولكن موجات الصوت الثاني هي بالفعل تقلبات في كثافة الإثارة الحرارية الشبيهة بالجسيمات (الفونونات والروتونات * ).

Roton * عبارة عن جسيم شبه فائق في ⁴ فائق السوائل (هيليوم -4).

تم العثور على المظاهر السابقة للصوت الثاني في قائمة صغيرة إلى حد ما من المواد وفي درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية:

- ² - سائل ( فائق * ) من الهيليوم تم الحصول عليه عن طريق التبريد 4He أقل من 2.1768 K ؛

- ⁴ He، ³ He، Bi (bismuth) عند درجة حرارة 1.2 ... 4.0 K و NaF (فلوريد الصوديوم) في الحالة الصلبة للتجميع عند درجة حرارة 10 ... 20 K.

Superfluidity * هي خاصية للسوائل ذات لزوجة صفرية ، مما يسمح لها بالتدفق دون فقدان الطاقة الحركية. بمعنى آخر ، يمكن لمثل هذه المادة (السائل الكمي) في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق أن تمر عبر ثقوب وشعيرات ضيقة جدًا دون احتكاك.

ومع ذلك ، لم يتوقف العلماء عن البحث عن صوت ثانٍ في مواد أخرى. أسفر البحث عن نتائج - تم العثور على علامات الصوت الثاني في الجرافيت العادي عند درجات حرارة أعلى من 100 K.

في دراستهم ، استخدم العلماء القياسات البصرية لنقل الحرارة في الجرافيت مع مقياس طول من 5-20 ميكرون. نتائج الرصد قابلة للمقارنة تمامًا مع الحسابات التي تم إجراؤها سابقًا وتشير نظريًا إلى وجود صوت ثان بمقياس ~ 1 ميكرومتر في درجات حرارة عالية (تصل إلى درجة حرارة الغرفة).

يذكرنا الباحثون أنه في المواد الصلبة غير المعدنية العادية ، يتم نقل الحرارة بواسطة اهتزازات شعرية أو فونونات * (يجب عدم الخلط بينها وبين الفوتونات). في البلورة المثالية (عمليًا) عند درجة حرارة تبلغ حوالي 10 كلفن ، يمكن للفونونات أن تنتشر على مسافات مجهرية دون تشتت ، وهذا يؤدي إلى انتقال الحرارة الباليستية.

Phonon * هو مقدار الحركة الاهتزازية للذرة البلورية.

في درجة حرارة الغرفة ، يكون متوسط ​​طول انتقال الحرارة في الفونون ضئيلًا جدًا بسبب السرعات العالية لانتثار الفونون الفون ، وبالتالي تنتشر الحرارة بسبب الانتشار عبر المسافات العيانية.

يقع الصوت الثاني ، كظاهرة ، في مكان ما بين نقل الحرارة الباليستية والانتشارية. ويسمى هذا الوضع الوسيط الهيدرونيكا الفونية. في مثل هذه الحالة ، تستمر عملية انتثار phonon-phonon العادية في كثير من الأحيان ، حيث يتم الاحتفاظ بزخم الفونون الكلي المنخفض ، ويكون احتمال حدوث عملية النقل * أقل. عمليات النقل * - عندما تصطدم الجسيمات شبه في البلورات ، ويتحقق قانون الحفاظ على الزخم حتى ناقل الشبكة المتبادل ، ومع ذلك ، فإن الانتثار الطبيعي وحده لا يكفي لنثر تدفق الحرارة وإعادة الشبكة إلى حالة التوازن الحراري. وبدلاً من ذلك ، يرتاح سكان الفونون لتوزيع Bose-Einstein "المتحيز" ، الذي يتميز بسرعة انجراف غير صفرية ، يمكن مقارنتها بتدفق الجزيئات في الغازات. هذا يسمح للموجات الحرارية (موجات كثافة الصوت) بالانتشار بسرعة أقل من سرعة الصوت.

نتائج البحوث

استعدادًا للتجارب الفعلية ، قام العلماء بإجراء عمليات حسابية والتعرف على بعض التوقعات النظرية التي تم إجراؤها مسبقًا. وجدوا أن صوتًا ثانيًا يجب أن يحدث في الفاصل الزمني بين الانتثار الطبيعي والتخطي (τ _N <t <τ _U ). وفقًا للتنبؤات النظرية ، تم إنشاء مقياس النانو ثانية للتجربة من أجل الجرافين. وهذا يعقد عملية البحث بسبب عدم القدرة على استخدام أجهزة استشعار درجة الحرارة التقليدية لتحديد نقل الحرارة. لذلك ، تحول العلماء إلى أشعة الليزر للحصول على المساعدة. بتعبير أدق ، تم استخدام طريقة المشابك الحرارية الانتقالية ( 1A ) عندما يتقاطع نبضان قصيران (60 ps) على سطح العينة.


الصورة رقم 1

يشكل "المصافحة" الليزرية مصدرًا حراريًا للجيوب الأنفية ، حيث يتم تحديد الفترة ( L ) حسب نمط التداخل البصري.

بسبب الإشعاع الحراري ، يتم تشكيل "شعرية حرارية" - حقل درجة حرارة الجيبية المكانية على طول سطح العينة (∆T (t ، z) cos (qx) ، حيث q = 2π / L هو موجه الموجة للشبكة الحرارية). بعد ذلك ، بسبب انتقال الحرارة ، تتحلل هذه الشبكة الحرارية. يخلق التمدد الحراري تعديلاً جيوبياً مقترنًا للإزاحة السطحية أو "النبض" u (t) cos (qx) ، والذي يعمل بمثابة حيود انتقال انتقالي للإشعاع الليزري. وبالتالي ، يتم التحكم في التوهين (الاضمحلال) لشبكة الحرارة الناتجة عن نقل الحرارة عن طريق الحيود المعتمد على الوقت من ليزر مسبار الموجة المستمر. يتم تثبيت الشعاع المنعكس على الحزمة المرجعية من نفس المصدر لاكتشاف التباين البصري.

كان الجرافيت الانحلالي ذو التوجه العالي هو بطل هذه الدراسة ، أي عينة. كانت العينة بوليكريستال بحجم حبة ~ 10 ميكرون ، وكان موقف المحور من جميع الحبوب عموديًا على سطح العينة نفسها.

في البداية ، تم استخدام 515 نانومتر على العينة لإنشاء الشبكة الحرارية الأولية على عمق الجلد البصري ~ 30 نانومتر. استمرت عملية نقل الحرارة في اتجاهين: على طول سطح الشبكة الحرارية (في المستوى) وعمودي على السطح (المستوى المستعرض). كان انتقال الحرارة في المستوى المستعرض من الجرافيت أضعف بمقدار 300 مرة من الانتقال في الطائرة. وبالتالي ، فإن عمق الانتشار الحراري في المستوى العرضي أصغر بكثير من موقع الشبكة الحرارية.

وفقًا لانتشار الحرارة (τ = L ² / 4π ² ⍺) ، في وسط أحادي البعد ، تتحلل شبكة الحرارة الانتقالية بشكل كبير. تم تأكيد هذا البيان في الممارسة العملية: عند درجة حرارة 300 كلفن ، تم الكشف عن علامات تسوس الأسي ( 1B ). في L (فترة شعرية) تساوي 37.5 ميكرون ، تم الحصول على انتشار حراري قدره 11 سم ² / ثانية.

مع انخفاض فترة الشبكة ، لا تتوافق معادلة انتشار الحرارة المذكورة أعلاه مع قيمة ثابتة قدرها ⍺ (الانتشار الحراري). أقصر فترة شعرية ، وأبطأ تسوس / توهين شعرية الحرارية الانتقالية ( 1C ). وهذا يتعارض مع تنبؤات نموذج نشر نقل الحرارة.


الصورة رقم 2

يُظهر الرسم البياني 2A تغيرات كبيرة عندما تنخفض درجة الحرارة إلى 85 كيلو. عند درجة حرارة 300 كيلو ، تنخفض الإشارات رتابة ، ولكن عند 85 كيلو ، تحدث التذبذبات الرطبة عندما يمكن أن تنخفض الإشارة إلى ما دون الصفر. لاكتشاف التباين ، يعني التغير في علامة إشارة شعرية الانتقال الانتقالية أن المرحلة المكانية من الشبكة قد تحولت بمقدار π. بمعنى آخر ، يتم عكس موضع الحد الأقصى المحلي والحد الأدنى من عمليات إزاحة السطح (بما في ذلك درجة الحرارة). وهذا السلوك للشبكة الحرارية الانتقالية يشبه الموجة الدائمة الحرارية * .

الموجة الدائمة * هي عملية موجية في الأنظمة التذبذبية الموزعة مع تناوب وثبات في أقصى مساحة والحد الأدنى للسعة.

في نسخة الانتشار ، يحدث انتقال الحرارة من المناطق الأكثر سخونة إلى المناطق الأكثر برودة ، ولا يمكن تبديل الحد الأقصى والحد الأدنى. وهذا هو ، هذه الملاحظة هي سمة مميزة من انتشار موجة الحرارة.

يُظهر الشكل الداخلي 2A أنه كلما زادت فترة الشبكة ، تقل وتيرة ديناميات تشبه الموجة. تشير العلاقة الخطية المرصودة إلى سرعة تبلغ 3200 م / ث. هذه ملاحظة مهمة ، حيث إن إشارات الشبكة الحرارية الحرارية الانتقالية غالباً ما يمكن أن تحتوي على تذبذبات بسبب الموجات الصوتية السطحية ، ولكن سرعتها أقل بكثير. بالنظر إلى أن سرعة الموجات الصوتية السطحية تبلغ حوالي 1480 م / ث ، وهي قريبة من السرعة العرضية البطيئة ، بينما تبلغ السرعة العرضية السريعة 14700 م / ث ، والسرعة الطولية أعلى من ذلك. تجدر الإشارة أيضًا إلى أنه إذا كانت هناك موجات صوتية ، فلن تختفي مع زيادة درجة حرارة الخلفية أو فترة الشبكة.

من أجل محاكاة هذه الديناميات ، طبق العلماء معادلة النقل الخطية Boltzmann مع مصفوفة انتثار ثلاثية الفونونات كاملة في شبكة الحرارة أحادية البعد. سابقا ، تم استخدام طريقة مماثلة لتحديد الموصلية الحرارية للجرافين والجرافيت. ومع ذلك ، كانت هذه التقنية محدودة إلى حد ما ولا يمكن تطبيقها إذا لم تكن للدراسات الجديدة التي وصفت طريقة لحساب وظائف Green للتردد غير المستقر وغير المتجانس للنقل. يوضح الشكل 2B بدقة هذه الوظائف الخضراء التي تصف تفاعل سكان الفونون مع مصدر الحرارة في شكل موجة طائرة متناغمة.

جعلت الحسابات التي أجراها العلماء مع الأخذ في الاعتبار الأساليب المذكورة أعلاه من الممكن فهم الاعتماد على الوقت لسعة صريف الحرارية. أظهرت الحسابات عند درجة حرارة 300 K وفترات شعرية مختلفة التوهين الأسي للشبكة الحرارية الانتقالية ، وهو ما يتفق تماما مع التجربة ( 1C ). عند درجة حرارة 85 كلفن ، تعطي وظيفة التردد الأخضر ذروة رنانة ( 2B ) ، والتي تعد السمة المميزة للصوت الثاني وتؤدي إلى التذبذبات ( 2C ). جميع البيانات المحسوبة قابلة للمقارنة تماما مع تلك البيانات التجريبية - حتى حقيقة اختفاء الصوت الثاني في فترات كبيرة من الشبكة الحرارية الانتقالية.

أظهرت الحسابات أن سرعة الصوت الثاني (مع الأخذ في الاعتبار موضع ذروة رنين التردد عند 2C ) هي 3650 م / ث. يميز هذا المؤشر الجرافيت عن عدد من المواد الأخرى حيث تم اكتشاف صوت ثانٍ. في نفوسهم ، كانت سرعة الصوت الثاني أبطأ من الحد الأدنى لسرعة الفونونات. من المدهش أيضًا أن يكون الجرافيت سريعًا جدًا في الوضع الصوتي البطيء المستعرض. ويؤدي عدم الانسجام والكثافة المدهشين لحالات هذا الوضع إلى تشتت طبيعي مكثف وخلق ظروف لنقل الهيدروناميكا الفونونات.


الصورة رقم 3

يعرض الرسم البياني أعلاه ( رقم 3 ) بيانات الشبكة الحرارية الانتقالية في فترة ثابتة تبلغ 10 ميكرون وفي درجات حرارة مختلفة. وقد لوحظ السلوك الاهتزازي عند 104 كلفن وحتى 125 كلفن ، لكن عندما تصل درجة الحرارة إلى 150 كلفن ، يختفي تمامًا. يحدث الشيء نفسه عندما تنخفض درجة الحرارة عن 50 كيلو.

يوضح الرسم البياني أيضًا استجابة محاكاة عند 50 كيلو بايت في الوضع الباليستي ، عندما تم ضبط معدل تشتت الفونون على الصفر. وهنا يتضح أن الفشل في الاستجابة في الوضع الباليستي يختفي. وهذا يعني أن اختفاء الصوت الثاني عند درجة حرارة 50 كلفن يتوافق مع ما هو متوقع أثناء الانتقال إلى الوضع الباليستي.


الصورة رقم 4

أظهرت نمذجة البيانات أنه يمكن توقع ظهور صوت ثانٍ في نطاق درجة الحرارة من 50 إلى 250 كيلو. وكلما ارتفعت درجة الحرارة ، كلما كان طول نقل الحرارة أقصر: عند L = 10 ميكرون ، يكون "سقف" درجة الحرارة حوالي 150 كلفن ، ولكن بالفعل عند L = 1.5 ميكرون سيتم ملاحظة صوت ثانٍ يصل إلى 250 K.

في درجات حرارة منخفضة وفترات شعرية قصيرة ، يختفي انتثار الفونون ، ويصبح انتقال الحرارة الباليستية. إذا كانت هناك درجات حرارة عالية وفترات طويلة ، ينتقل نقل الحرارة ببطء إلى وضع "الانتشار شبه".

برع الجرافيت أيضا من حيث النظائر. أي أنه في وقت سابق ، لم يتم ملاحظة الصوت الثاني إلا في المواد الصلبة النقية (إذا تم تجاهلها ، وفقًا للعلماء ، فإن الملاحظات في SrTiO ₃ لا تؤخذ في الاعتبار). لكن الجرافيت المستخدم في التجربة ليس نقيًا نظيريًا ، مما يدل على الطبيعة الفريدة لهيدروديناميكا الفونون لهذه المادة.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة والتفاصيل والمنهجية وحسابات الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

في بعض الأحيان يتم إخفاء الظواهر أو الخصائص الغريبة في أكثر الأشياء العادية وغير الملحوظة. هذه الدراسة كانت تأكيدا لذلك. الصوت الثاني ، كونه ظاهرة غريبة ، لم يسبق له مثيل إلا في المواد "الغريبة" للغاية وفي ظل ظروف قاسية للغاية.

يرى العلماء أن عملهم مهم للدراسة العامة لهيدروديناميكا الفونون. إن فهم مثل هذه الأشياء سيجعل من الممكن استخدام الجرافيت والجرافين كمواد تبديد للحرارة في الإلكترونيات الدقيقة. يعتقد العلماء أيضًا أن عملهم سيسرع في دراسة التلاعب والتحكم في عمليات النقل في المقاييس الدقيقة والنانوية.

نحن نعرف الكثير عن الأشياء من حولنا ، لكن في الوقت نفسه ، تشير مثل هذه الدراسات إلى عكس ذلك. هل هناك حد لهذه المعرفة؟ طالما هناك فضول وحماس العلماء - لا.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين ولديكم أسبوع عمل جيد ، شباب.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟