विदेशी पेंसिल: साधारण ग्रेफाइट में दूसरी ध्वनि का पता लगाना

सुबह उठकर ताऊंसन गाते हुए, मौसम के पूर्वानुमान को देखें और वही फेट देखें, अपने पसंदीदा शॉर्ट्स पर रखें और शहर के चारों ओर टहलने जाएं, कचरे के डिब्बे से आवारा बंदरों को भगाएं, ताड़ के साथ गली में टहलें, झील के सामने एक बेंच पर बैठें और राजहंस को खिलाएं, तैयारी के बारे में याद रखें। सर्दियों के दौरान और एक और शॉर्ट्स खरीदें। किसी के लिए, ऐसा दिन असामान्य नहीं है, लेकिन हमारे लिए (मेरा मतलब महाद्वीपीय जलवायु क्षेत्रों के निवासियों) यह एक वास्तविक विदेशी है। फ्लेमिंगो और तूफानों का भौतिकी से क्या संबंध है, आप पूछते हैं? और इस तथ्य के बावजूद कि विदेशी भी भौतिकी के लिए विदेशी नहीं है, प्रक्रियाओं, पदार्थों और घटनाओं में प्रकट होता है जो किसी भी तरह आम तौर पर स्वीकृत मानदंड से भिन्न होते हैं। आज हम इनमें से सिर्फ एक घटना के बारे में बात करेंगे - दूसरी ध्वनि जो साधारण ग्रेफाइट में पाई गई थी। इसमें ऐसा क्या विदेशी है जैसा कि वैज्ञानिकों ने पाया है और क्या हमें खोज के लिए उनके उत्साह को साझा करना चाहिए? हमें उत्तर मिलेंगे, जहां और आमतौर पर - नहीं, Google में नहीं, लेकिन अनुसंधान समूह की रिपोर्ट में। चलो चलते हैं।

सैद्धांतिक पीछे हटना

दूसरी ध्वनि घटना के लिए एक अजीब नाम है, जो केवल परोक्ष रूप से ध्वनि को संदर्भित करता है (यह आस्तीन के संपर्क में थोड़ा है, इसलिए बोलने के लिए)। दूसरी ध्वनि एक क्वांटम-मैकेनिकल घटना है, जिसमें हीट ट्रांसफर सामान्य तरंग के बजाय तरंग जैसी फैशन में होता है। शब्द "ध्वनि" ध्वनि तरंगों के समान प्रसार के साथ गर्मी के तरंग प्रसार की समानता के कारण इस प्रक्रिया के नाम पर मौजूद है।

ध्वनि तरंगें किसी पदार्थ में अणुओं के घनत्व में उतार-चढ़ाव होती हैं, लेकिन दूसरी ध्वनि की तरंगें पहले से ही कण-जैसे थर्मल एक्साइटमेंट ( फोनन और रोटन * ) के घनत्व में उतार-चढ़ाव होती हैं।

रोटन * सुपरफ्लुइड ⁴ हे (हीलियम -4) में एक क्यूसिपर्टिकल है।

पहले दूसरी ध्वनि की अभिव्यक्तियाँ पदार्थों की काफी छोटी सूची में और पर्याप्त रूप से कम तापमान पर पाई गई थीं:

- ² वह - तरल (सुपरफ्लूड * ) हीलियम 2.1768 के नीचे ठंडा 4He द्वारा प्राप्त;

- ⁴ He, ³ He, Bi (bismuth) 1.2 के तापमान पर ... 4.0 K और NaF (सोडियम फ्लोराइड) 10 के तापमान पर एकत्रीकरण की ठोस अवस्था में ... 20 K।

Superfluidity * शून्य चिपचिपाहट के साथ एक तरल पदार्थ की एक संपत्ति है, जो इसे गतिज ऊर्जा के नुकसान के बिना प्रवाह करने की अनुमति देता है। दूसरे शब्दों में, निरपेक्ष शून्य के करीब तापमान पर ऐसा पदार्थ (क्वांटम तरल) बिना किसी घर्षण के बहुत ही संकीर्ण छिद्रों और केशिकाओं से गुजर सकता है।

हालांकि, वैज्ञानिकों ने अन्य पदार्थों में दूसरी ध्वनि की खोज बंद नहीं की। खोज परिणाम निकले - 100 के ऊपर के तापमान पर साधारण ग्रेफाइट में दूसरी ध्वनि के संकेत पाए गए।

अपने अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने 5-20 माइक्रोन की लंबाई के साथ ग्रेफाइट में गर्मी हस्तांतरण के ऑप्टिकल माप का उपयोग किया। पहले किए गए गणनाओं के साथ अवलोकन संबंधी परिणाम पूरी तरह से तुलनीय हैं और सैद्धांतिक रूप से उच्च तापमान (~ कमरे के तापमान) पर ~ 1 (m पैमाने पर दूसरी ध्वनि की उपस्थिति का संकेत देते हैं।

शोधकर्ताओं ने हमें याद दिलाया कि सामान्य गैर-धातु ठोस में, गर्मी को जाली कंपन या फोनोन्स * (फोटॉन के साथ भ्रमित नहीं होना) द्वारा स्थानांतरित किया जाता है। लगभग 10 K के तापमान पर एक आदर्श (व्यावहारिक रूप से) क्रिस्टल में, फ़ोनों को बिना बिखरने वाली सूक्ष्म दूरी पर प्रचारित किया जा सकता है और इससे बैलिस्टिक हीट ट्रांसफर होता है।

फोनन * एक क्रिस्टल परमाणु के कंपन गति की एक मात्रा है।

कमरे के तापमान पर, फोनन पर गर्मी हस्तांतरण की औसत लंबाई फोनोन-फोनन के बिखरने की उच्च गति के कारण काफी कम है, इसलिए, मैक्रोस्कोपिक दूरी पर प्रसार के कारण गर्मी का प्रसार होता है।

दूसरी ध्वनि, एक घटना के रूप में, बैलिस्टिक और विसारक गर्मी हस्तांतरण के बीच कहीं स्थित है। इस मध्यवर्ती मोड को फोनन हाइड्रोडायनामिक्स कहा जाता है। ऐसी स्थिति में, सामान्य फोनन-फोनन प्रकीर्णन बहुत अधिक बार होता है, जिसमें कुल घटे हुए फोनन गति को बरकरार रखा जाता है, और स्थानांतरण प्रक्रिया * होने की संभावना कम होती है। स्थानांतरण प्रक्रियाएं * - जब क्वासिपर्टिकल्स क्रिस्टल में टकराते हैं, और गति के संरक्षण का नियम पारस्परिक जाली वेक्टर तक महसूस किया जाता है। हालांकि, केवल सामान्य प्रकीर्णन गर्मी प्रवाह को तितर बितर करने और थर्मल संतुलन की स्थिति के लिए जाली को वापस करने के लिए पर्याप्त नहीं है। इसके बजाय, फोनन आबादी एक "पक्षपाती" बोस-आइंस्टीन वितरण के लिए आराम करती है, जो एक गैर-शून्य बहाव वेग की विशेषता है, जो गैसों में अणुओं के प्रवाह के बराबर है। यह थर्मल तरंगों (फोनन घनत्व तरंगों) को ध्वनि की गति से कम गति पर प्रचारित करने की अनुमति देता है।

अनुसंधान के परिणाम

वास्तविक प्रयोगों की तैयारी में, वैज्ञानिकों ने गणना की और पहले किए गए कुछ सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से परिचित हुए। उन्होंने पाया कि सामान्य बिखरने और ओवरशूट (< _N <t <। _U ) के बीच के अंतराल में एक दूसरी ध्वनि होनी चाहिए। सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुसार, ग्राफीन के लिए प्रयोग के नैनोसेकंड पैमाने की स्थापना की गई थी। और यह गर्मी हस्तांतरण को निर्धारित करने के लिए पारंपरिक तापमान सेंसर का उपयोग करने में असमर्थता के कारण अनुसंधान प्रक्रिया को जटिल बनाता है। इसलिए, वैज्ञानिकों ने मदद के लिए लेज़रों की ओर रुख किया। अधिक सटीक रूप से, संक्रमणकालीन थर्मल झंझरी ( 1 ए ) की विधि का उपयोग तब किया गया था जब नमूने की सतह पर दो छोटे (60 पीएस) लेजर दालों को काट दिया गया था।


चित्र संख्या 1

लेजर "हैंडशेक" एक स्थानिक रूप से साइनसोइडल हीट स्रोत बनाता है, जिसकी अवधि ( एल ) ऑप्टिकल हस्तक्षेप के पैटर्न द्वारा निर्धारित की जाती है।

थर्मल विकिरण के कारण, एक "थर्मल जाली" का निर्माण होता है - नमूना की सतह ((T (t, z) कॉस (qx), जहां q = 2π / L थर्मल लैटिस का तरंग वेक्टर है) के साथ एक स्थानिक रूप से साइनसोइडल तापमान क्षेत्र। इसके बाद, गर्मी हस्तांतरण के कारण, यह गर्मी झंझरी का पतन हो जाता है। थर्मल विस्तार सतह विस्थापन या "धड़कन" u (t) कॉस (qx) का एक युग्मित साइनसोइडल मॉड्यूलेशन बनाता है, जो लेजर विकिरण के लिए संक्रमण विवर्तन झंझरी के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार, गर्मी हस्तांतरण के कारण गर्मी झंझरी के क्षीणन (क्षय) को निरंतर तरंग जांच लेजर के समय-निर्भर विवर्तन द्वारा नियंत्रित किया जाता है। विवर्तित किरण ऑप्टिकल हीटरोडाइन डिटेक्शन के लिए एक ही स्रोत से संदर्भ बीम पर सुपरिम्पोज की जाती है।

अत्यधिक उन्मुख पाइरोलाइटिक ग्रेफाइट इस अध्ययन का नायक था, अर्थात, एक नमूना। नमूना ~ 10 माइक्रोन के दाने के आकार के साथ एक पॉलीक्रिस्टल था, और सभी अनाज से अक्ष की स्थिति नमूना की सतह के लिए लंबवत थी।

प्रारंभ में, ~ 30 एनएम ऑप्टिकल त्वचा की गहराई पर प्रारंभिक थर्मल झंझरी बनाने के लिए नमूने पर 515 एनएम प्रकाश का उपयोग किया गया था। हीट ट्रांसफर प्रक्रिया दो दिशाओं में आगे बढ़ी: हीट ग्रिड की सतह (विमान में) और सतह के लिए लंबवत (अनुप्रस्थ विमान) के साथ। ग्रेफाइट के अनुप्रस्थ विमान में गर्मी हस्तांतरण विमान में स्थानांतरण की तुलना में ~ 300 गुना कमजोर था। इस प्रकार, अनुप्रस्थ विमान में थर्मल प्रसार की गहराई गर्मी जाली की स्थिति की तुलना में बहुत कम है।

गर्मी प्रसार के अनुसार ( L = L ² / 4⍺ ² in), एक आयामी माध्यम में, संक्रमण गर्मी जाली तेजी से क्षय करती है। इस कथन को व्यवहार में पुष्टि की गई थी: 300 K के तापमान पर, घातीय क्षय ( 1B ) के संकेतों का पता चला था। 37.5 माइक्रोन के बराबर एल (जाली अवधि) में, 11 सेमी ² / एस का एक थर्मल विचलन प्राप्त किया गया था।

जाली अवधि में कमी के साथ, ऊपर दिया गया ताप प्रसार सूत्र ⍺ (थर्मल विवर्तन) के निरंतर मूल्य के अनुरूप नहीं है। कम जाली अवधि, क्षणिक थर्मल जाली ( 1C ) के क्षय / क्षीणन को धीमा कर देती है। और यह गर्मी हस्तांतरण के प्रसार मॉडल की भविष्यवाणियों के साथ विचरण पर है।


चित्र संख्या 2

ग्राफ 2A महत्वपूर्ण परिवर्तन दिखाता है जब तापमान 85 K पर गिरता है। 300 K के तापमान पर, संकेत नीरस रूप से नम हो जाते हैं, लेकिन 85 K पर, जब नमी शून्य से नीचे गिर सकती है तो नमी के दोलन होते हैं। हेटेरोडाइन डिटेक्शन के लिए, ट्रांज़िशन हीट जाली सिग्नल के संकेत में बदलाव का मतलब है कि जाली का स्थानिक चरण lat द्वारा स्थानांतरित हो गया है। दूसरे शब्दों में, सतह विस्थापन (तापमान सहित) के स्थानीय मैक्सिमा और मिनिमा की स्थिति उलट है। और संक्रमणकालीन थर्मल झंझरी का यह व्यवहार तापीय स्थायी तरंग * के बराबर है।

स्टैंडिंग वेव * स्पेस मैक्सिमा और आयाम की मिनिमा में वैकल्पिक और स्थिर के साथ वितरित ऑसिलेटरी सिस्टम में एक लहर प्रक्रिया है।

प्रसार संस्करण में, गर्मी हस्तांतरण गर्म से ठंडे क्षेत्रों में होता है, और मैक्सिमा और मिनिमा को आपस में जोड़ा नहीं जा सकता है। यही है, यह अवलोकन गर्मी की लहर प्रसार की एक विशिष्ट विशेषता है।

ग्राफ 2 ए में इनसेट से पता चलता है कि जैसे-जैसे जाली की अवधि बढ़ती जाती है, तरंग जैसी गतिशीलता की आवृत्ति कम होती जाती है। मनाया रैखिक संबंध 3200 मीटर / सेकंड की गति को इंगित करता है। यह एक महत्वपूर्ण अवलोकन है, चूंकि अक्सर सतह के ध्वनिक तरंगों के कारण संक्रमणकालीन थर्मल झंझरी संकेतों में दोलन हो सकते हैं, लेकिन उनकी गति बहुत कम होती है। यह देखते हुए कि सतह ध्वनिक तरंगों की गति लगभग 1480 m / s है, जो धीमी अनुप्रस्थ वेग के करीब है, जबकि तेज अनुप्रस्थ वेग 14700 m / s है, और अनुदैर्ध्य वेग भी अधिक है। यह भी ध्यान देने योग्य है कि अगर ध्वनिक तरंगें थीं, तो वे पृष्ठभूमि के तापमान या जाली अवधि में वृद्धि के साथ गायब नहीं होंगी।

इस तरह की गतिशीलता का अनुकरण करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक त्रि-आयामी संक्रमण गर्मी जाली में पूर्ण तीन-फोनन बिखरने वाले मैट्रिक्स के साथ रैखिक बोल्ट्जमान परिवहन समीकरण को लागू किया। पहले, ग्राफीन और ग्रेफाइट की तापीय चालकता निर्धारित करने के लिए एक समान विधि का उपयोग किया गया था। हालांकि, यह तकनीक कुछ हद तक सीमित थी और इसे लागू नहीं किया जा सकता था अगर यह नए अध्ययनों के लिए नहीं थी, जो कि अस्थिर ग्रीन और अस्वस्थ बोल्ट्जमैन परिवहन के लिए फ़्रीक्वेंसी ग्रीन के कार्यों की गणना करने के लिए एक विधि का वर्णन करती थी। चित्रा 2 बी इन ग्रीन फ़ंक्शंस को दिखाता है जो एक हार्मोनल प्लेन वेव के रूप में एक गर्मी स्रोत के लिए एक फोनन आबादी की प्रतिक्रिया का वर्णन करते हैं।

उपरोक्त तरीकों को ध्यान में रखते हुए वैज्ञानिकों द्वारा की गई गणना ने थर्मल झंझरी के आयाम की समय निर्भरता को समझना संभव बना दिया है। 300 K और विभिन्न जाली अवधि के तापमान पर गणना ने संक्रमणकालीन थर्मल जाली का घातीय क्षीणन दिखाया, जो प्रयोग ( 1C ) के साथ पूरी तरह से संगत है। 85 K के तापमान पर, फ़्रीक्वेंसी ग्रीन का फ़ंक्शन एक गुंजयमान शिखर ( 2B ) देता है, जो दूसरी ध्वनि की एक बानगी है और इससे डंपिंग दोलन ( 2C ) होता है। सभी गणना किए गए डेटा प्रयोगात्मक लोगों के साथ पूरी तरह से तुलनीय हैं - यहां तक ​​कि संक्रमणकालीन थर्मल जाली की बड़ी अवधि में दूसरी ध्वनि के गायब होने का तथ्य भी।

गणनाओं से पता चला कि दूसरी ध्वनि की गति ( 2 सी पर आवृत्ति अनुनाद के शिखर की स्थिति को ध्यान में रखते हुए) 3650 मीटर / सेकंड है। ऐसा संकेतक ग्रेफाइट को कई अन्य सामग्रियों से अलग करता है जहां एक दूसरी ध्वनि का पता चला था। उनमें, दूसरी ध्वनि की गति फोनन की न्यूनतम गति से धीमी थी। ग्रेफाइट इस मायने में भी आश्चर्यजनक है कि इसमें धीमी अनुप्रस्थ ध्वनिक विधा की गति बहुत कम है। और इस विधा के राज्यों की प्रभावशाली धार्मिकता और घनत्व तीव्र सामान्य प्रकीर्णन का कारण बनते हैं और फोनोन्स के हाइड्रोडायनामिक हस्तांतरण के लिए स्थितियां बनाते हैं।


चित्र संख्या 3

उपरोक्त ग्राफ ( संख्या 3 ) 10 माइक्रोन की निरंतर अवधि और विभिन्न तापमानों पर संक्रमणकालीन थर्मल झंझरी के डेटा को प्रदर्शित करता है। कंपन व्यवहार 104 K और यहां तक ​​कि 125 K पर भी देखा गया था, लेकिन जब यह 150 K के तापमान तक पहुंच जाता है, तो यह पूरी तरह से गायब हो जाता है। यही बात तब होती है जब तापमान 50 K से नीचे चला जाता है।

ग्राफ बैलिस्टिक मोड में 50 K पर एक सिम्युलेटेड प्रतिक्रिया भी दिखाता है, जब फ़ोनन बिखरने की दर शून्य पर सेट की गई थी। और यहां यह स्पष्ट है कि बैलिस्टिक मोड में प्रतिक्रिया में विफलता गायब हो जाती है। अर्थात्, 50 K के तापमान पर दूसरी ध्वनि का गायब होना बैलिस्टिक मोड में संक्रमण के दौरान जो अपेक्षित है, उससे मेल खाता है।


चित्र संख्या 4

डेटा की संरचना से पता चला है कि दूसरी ध्वनि की उपस्थिति तापमान रेंज में 50 से 250 K तक होने की उम्मीद की जा सकती है। उच्च तापमान, गर्मी हस्तांतरण की लंबाई कम: L = 10 सुक्ष्ममापी पर, तापमान "छत" लगभग 150 K है, लेकिन पहले से ही L = 1.5 माइक्रोन के लिए। दूसरी ध्वनि 250 K तक देखी जाएगी।

कम तापमान और कम जाली अवधि में, फोनन का प्रकीर्णन गायब हो जाता है और गर्मी हस्तांतरण बैलिस्टिक हो जाता है। यदि उच्च तापमान और लंबे समय तक होते हैं, तो गर्मी हस्तांतरण धीरे-धीरे "अर्ध-प्रसार" मोड में गुजरता है।

आइसोपाइट्स के संदर्भ में ग्रेफाइट भी उत्कृष्ट है। यही है, पहले दूसरी ध्वनि केवल आइसोटोपिक रूप से शुद्ध ठोस में देखी गई थी (यदि वैज्ञानिकों के अनुसार, SrTiO ₃ में टिप्पणियों का ध्यान नहीं रखा गया है)। लेकिन प्रयोग में प्रयुक्त ग्रेफाइट आइसोटोपिक रूप से शुद्ध नहीं होता है, जो इस पदार्थ के फोनोन हाइड्रोडायनामिक्स की अनूठी प्रकृति को इंगित करता है।

अध्ययन की बारीकियों, विवरण, कार्यप्रणाली और गणना के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप वैज्ञानिकों और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

कभी-कभी विदेशी घटनाएं या गुण सबसे साधारण और अचूक वस्तुओं में छिपे होते हैं। यह अध्ययन इस बात की पुष्टि था। दूसरी ध्वनि, एक विदेशी घटना होने के नाते, पहले केवल बहुत ही "अजीब" पदार्थों में और बहुत ही चरम परिस्थितियों में मनाया गया था।

वैज्ञानिक अपने काम को फोनन हाइड्रोडायनामिक्स के सामान्य अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण मानते हैं। इस तरह की चीजों को समझने से ग्रेफाइट और ग्रेफीन का उपयोग माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में गर्मी-विघटित सामग्री के रूप में करना संभव होगा। वैज्ञानिकों का यह भी मानना ​​है कि उनके काम से सूक्ष्म और नैनोस्केल में परिवहन प्रक्रियाओं में हेरफेर और नियंत्रण के अध्ययन में तेजी आएगी।

हम अपने आस-पास की चीजों के बारे में बहुत कुछ जानते हैं, लेकिन एक ही समय में, इस तरह के अध्ययन अन्यथा सुझाव देते हैं। क्या इस ज्ञान की कोई सीमा है? जब तक वैज्ञानिकों की जिज्ञासा और उत्साह है - नहीं।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों।

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