Bangun di pagi hari sambil bernyanyi toucans, lihat ramalan cuaca dan lihat yang sama +28, kenakan celana pendek favorit Anda dan berjalan-jalan di sekitar kota, mengusir monyet kurang ajar dari tong sampah, berjalan-jalan di sepanjang gang sawit, duduk di bangku di depan danau dan memberi makan flamingo, ingat tentang persiapan pada musim dingin dan beli celana pendek lain. Bagi seseorang, hari seperti itu bukanlah tidak biasa, tetapi bagi kita (maksud saya penduduk daerah iklim kontinental) ini adalah eksotis yang nyata. Apa hubungan flamingo dan toucans dengan fisika, Anda bertanya? Dan terlepas dari kenyataan bahwa eksotis juga tidak asing dengan fisika, dimanifestasikan dalam proses, zat, dan fenomena yang entah bagaimana berbeda dari norma yang berlaku umum. Hari ini kita akan berbicara tentang hanya satu dari fenomena ini - suara kedua, yang ditemukan dalam grafit biasa. Apa yang begitu eksotis di dalamnya seperti yang telah ditemukan oleh para ilmuwan dan haruskah kita berbagi antusiasme untuk penemuan ini? Kami akan menemukan jawabannya, di mana dan biasanya - tidak, tidak di Google, tetapi dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Retret teoretis
Bunyi kedua adalah nama yang agak lucu untuk fenomena tersebut, yang hanya secara tidak langsung mengacu pada bunyi itu sendiri (sedikit bersentuhan dengan lengan baju, jadi untuk berbicara). Bunyi kedua adalah fenomena mekanika kuantum di mana perpindahan panas berlangsung dengan cara seperti gelombang, bukan difusi biasa. Kata "suara" hadir atas nama proses ini karena kesamaan perambatan gelombang panas dengan perambatan gelombang suara yang serupa.
Gelombang suara adalah fluktuasi dalam kepadatan molekul dalam suatu zat, tetapi gelombang suara kedua sudah berfluktuasi dalam kepadatan rangsangan termal seperti partikel (fonon dan
roton * ).
Roton * adalah partikel semu dalam superfluid 4 He (helium-4).
Manifestasi sebelumnya dari bunyi kedua ditemukan dalam daftar zat yang cukup kecil dan pada suhu yang cukup rendah:
-
2 He - liquid (
superfluid * ) helium diperoleh dengan mendinginkan 4He di bawah 2.1768 K;
-
4 He,
3 He, Bi (bismuth) pada suhu 1,2 ... 4,0 K dan NaF (sodium fluoride) dalam keadaan agregasi padat pada suhu 10 ... 20 K.
Superfluiditas * adalah sifat fluida dengan viskositas nol, yang memungkinkannya mengalir tanpa kehilangan energi kinetik. Dengan kata lain, zat semacam itu (cairan kuantum) pada suhu mendekati nol absolut dapat melewati lubang dan kapiler yang sangat sempit tanpa gesekan.
Namun, para ilmuwan tidak berhenti mencari suara kedua dalam zat lain. Pencarian menghasilkan hasil - tanda-tanda suara kedua ditemukan dalam grafit biasa pada suhu di atas 100 K.
Dalam studi mereka, para ilmuwan menggunakan pengukuran optik perpindahan panas dalam grafit dengan skala panjang 5-20 mikron. Hasil pengamatan sepenuhnya dapat dibandingkan dengan perhitungan yang dilakukan sebelumnya dan secara teoritis menunjukkan adanya suara kedua pada skala ~ 1 μm pada suhu tinggi (hingga suhu kamar).
Peneliti mengingatkan kita bahwa dalam padatan non-logam biasa, panas ditransfer oleh getaran kisi atau
fonon * (jangan dikacaukan dengan foton). Dalam kristal ideal (praktis) pada suhu sekitar 10 K, fonon dapat merambat pada jarak mikroskopis tanpa hamburan, dan ini mengarah pada perpindahan panas balistik.
Phonon * adalah kuantum dari gerakan vibrasi atom kristal.
Pada suhu kamar, panjang rata-rata perpindahan panas pada fonon cukup kecil karena kecepatan tinggi hamburan fonon-fonon, oleh karena itu, panas merambat karena difusi pada jarak makroskopis.
Bunyi kedua, sebagai sebuah fenomena, terletak di suatu tempat antara perpindahan panas balistik dan difusi. Mode antara ini disebut hidrodinamika fonon. Dalam situasi seperti itu, hamburan fonon-fonon normal terjadi lebih sering, di mana total momentum phonon berkurang dipertahankan, dan
proses transfer * lebih kecil kemungkinannya terjadi.
Proses transfer * - ketika partikel-partikel kuasi bertabrakan dalam kristal, dan hukum kekekalan momentum diwujudkan hingga vektor kisi resiprokal.Namun, hamburan normal saja tidak cukup untuk menyebarkan fluks panas dan mengembalikan kisi ke keadaan kesetimbangan termal. Alih-alih, populasi fonon mengendur menjadi distribusi Bose-Einstein yang “bias”, ditandai oleh kecepatan drift yang tidak nol, yang sebanding dengan aliran molekul dalam gas. Ini memungkinkan gelombang panas (gelombang kerapatan phonon) merambat dengan kecepatan di bawah kecepatan suara.
Hasil penelitian
Dalam persiapan untuk percobaan yang sebenarnya, para ilmuwan membuat perhitungan dan berkenalan dengan beberapa prediksi teoritis yang dibuat sebelumnya. Mereka menemukan bahwa bunyi kedua harus terjadi dalam interval waktu antara hamburan normal dan overshoot (τ
N <t <τ
U ). Sesuai dengan prediksi teoritis, skala nanosecond dari percobaan ditetapkan untuk graphene. Dan ini mempersulit proses penelitian karena ketidakmampuan untuk menggunakan sensor suhu konvensional untuk menentukan perpindahan panas. Karena itu, para ilmuwan meminta bantuan laser. Lebih tepatnya, metode kisi termal transisi (
1A ) digunakan ketika dua pulsa laser pendek (60 ps) berpotongan di permukaan sampel.
Gambar No. 1Laser "jabat tangan" membentuk sumber panas sinusoidal spasial, periode di mana (
L ) ditentukan oleh pola interferensi optik.
Karena radiasi termal, "kisi termal" terbentuk - bidang suhu sinusoidal spasial di sepanjang permukaan sampel (∆T (t, z) cos (qx), di mana q = 2π / L adalah vektor gelombang kisi termal). Selanjutnya, karena perpindahan panas, kisi panas ini meluruh. Ekspansi termal menciptakan modulasi sinusoidal digabungkan dari perpindahan permukaan atau "pulsasi" u (t) cos (qx), yang bertindak sebagai kisi difraksi transisi untuk radiasi laser. Dengan demikian, pelemahan (peluruhan) dari kisi-kisi panas akibat perpindahan panas dikendalikan oleh difraksi bergantung waktu dari laser probe gelombang kontinu. Sinar difraksi ditumpangkan pada balok referensi dari sumber yang sama untuk deteksi heterodyne optik.
Grafit pirolitik yang sangat berorientasi adalah protagonis dari penelitian ini, yaitu sampel. Sampel adalah polikristal dengan ukuran butir ~ 10 μm, dan posisi sumbu dari semua butir tegak lurus terhadap permukaan sampel itu sendiri.
Awalnya, cahaya 515 nm digunakan pada sampel untuk membuat kisi termal awal pada kedalaman kulit optik ~ 30 nm. Proses perpindahan panas berlangsung dalam dua arah: sepanjang permukaan grid panas (di pesawat) dan tegak lurus ke permukaan (bidang transversal). Perpindahan panas di bidang transversal grafit ~ 300 kali lebih lemah daripada transfer di bidang. Dengan demikian, kedalaman difusi termal pada bidang transversal jauh lebih kecil daripada posisi kisi panas.
Sesuai dengan difusi panas (τ =
L 2 / 4π
2 ⍺), dalam media satu dimensi, kisi panas transisi meluruh secara eksponensial. Pernyataan ini dikonfirmasi dalam praktik: pada suhu 300 K, tanda-tanda peluruhan eksponensial (
1B ) terdeteksi. Pada
L (periode kisi) sama dengan 37,5 μm, difusivitas termal 11 cm
2 / dt diperoleh.
Dengan penurunan periode kisi, rumus difusi panas yang diberikan di atas tidak sesuai dengan nilai konstan ⍺ (difusivitas termal). Semakin pendek periode kisi, semakin lambat peluruhan / pelemahan kisi termal transisional (
1C ). Dan ini berbeda dengan prediksi model difusi perpindahan panas.
Gambar No. 2Grafik
2A menunjukkan perubahan signifikan ketika suhu turun ke 85 K. Pada suhu 300 K, sinyal lembab monoton, tetapi pada 85 K, osilasi teredam terjadi ketika sinyal dapat turun di bawah nol. Untuk deteksi heterodyne, perubahan tanda sinyal kisi panas transisi berarti bahwa fase spasial kisi telah bergeser oleh π. Dengan kata lain, posisi maksimum lokal dan minimum perpindahan permukaan (termasuk suhu) dibalik. Dan perilaku kisi termal transisi ini sebanding dengan
gelombang berdiri termal
* .
Gelombang berdiri * adalah proses gelombang dalam sistem osilasi terdistribusi dengan bolak-balik dan stabil dalam ruang, maksimum dan minimum dari amplitudo.
Dalam versi difusi, perpindahan panas terjadi dari daerah yang lebih panas ke yang lebih dingin, dan maxima dan minima tidak dapat dipertukarkan. Artinya, pengamatan ini adalah fitur khas dari perambatan gelombang panas.
Inset pada grafik
2A menunjukkan bahwa ketika periode kisi meningkat, frekuensi dinamika seperti gelombang berkurang. Hubungan linear yang diamati menunjukkan kecepatan 3200 m / s. Ini adalah pengamatan penting, karena seringkali sinyal kisi termal transisional dapat mengandung osilasi karena gelombang akustik permukaan, tetapi kecepatannya jauh lebih rendah. Mengingat bahwa kecepatan gelombang akustik permukaan sekitar 1480 m / s, yang dekat dengan kecepatan melintang lambat, sedangkan kecepatan melintang cepat adalah 14700 m / s, dan kecepatan longitudinal bahkan lebih tinggi. Perlu juga dicatat bahwa jika ada gelombang akustik, mereka tidak akan hilang dengan peningkatan suhu latar belakang atau periode kisi.
Untuk mensimulasikan dinamika tersebut, para ilmuwan menerapkan persamaan transpor Boltzmann yang dilinearisasi dengan matriks hamburan tiga phonon penuh dalam kisi panas transisi satu dimensi. Sebelumnya, metode serupa digunakan untuk menentukan konduktivitas termal dari graphene dan graphite. Namun, teknik ini agak terbatas dan tidak dapat diterapkan jika bukan untuk studi baru yang menggambarkan metode untuk menghitung frekuensi fungsi Green untuk transportasi Boltzmann tidak stabil dan tidak homogen. Gambar
2B menunjukkan dengan tepat fungsi-fungsi hijau ini yang menggambarkan reaksi populasi fonon terhadap sumber panas dalam bentuk gelombang bidang harmonik.
Perhitungan yang dilakukan oleh para ilmuwan dengan mempertimbangkan metode di atas memungkinkan untuk memahami ketergantungan waktu dari amplitudo kisi termal. Perhitungan pada suhu 300 K dan berbagai periode kisi menunjukkan pelemahan eksponensial dari kisi termal transisional, yang sepenuhnya konsisten dengan percobaan (
1C ). Pada suhu 85 K, frekuensi fungsi Green memberikan puncak resonansi (
2B ), yang merupakan ciri dari suara kedua dan mengarah ke redaman osilasi (
2C ). Semua data yang dihitung sepenuhnya dapat dibandingkan dengan yang eksperimental - bahkan fakta hilangnya suara kedua pada periode besar dari kisi termal transisi.
Perhitungan menunjukkan bahwa kecepatan suara kedua (dengan mempertimbangkan posisi puncak resonansi frekuensi pada
2C ) adalah 3650 m / s. Indikator semacam itu membedakan grafit dari sejumlah bahan lain tempat suara kedua terdeteksi. Di dalamnya, kecepatan suara kedua lebih lambat dari kecepatan minimum fonon. Graphite juga mengejutkan karena memiliki kecepatan yang sangat rendah dari mode akustik melintang lambat. Dan anharmonisitas dan kerapatan keadaan yang mengesankan dari mode ini menyebabkan hamburan normal yang intens dan menciptakan kondisi untuk transfer fonon hidrodinamik.
Gambar No. 3Grafik di atas (
No. 3 ) menampilkan data dari kisi termal transisi pada periode konstan 10 μm dan pada suhu yang berbeda. Perilaku getaran diamati pada 104 K dan bahkan pada 125 K, tetapi ketika mencapai suhu 150 K, itu benar-benar menghilang. Hal yang sama terjadi ketika suhu turun di bawah 50 K.
Grafik juga menunjukkan respons simulasi pada 50 K dalam mode balistik, ketika laju hamburan fonon diatur ke nol. Dan di sini jelas bahwa kegagalan dalam respons dalam mode balistik menghilang. Yaitu, hilangnya suara kedua pada suhu 50 K sesuai dengan apa yang diharapkan selama transisi ke mode balistik.
Gambar No. 4Pemodelan data menunjukkan bahwa penampilan suara kedua dapat diharapkan dalam kisaran suhu dari 50 hingga 250 K. Semakin tinggi suhu, semakin pendek panjang perpindahan panas: pada
L = 10 μm, suhu "langit-langit" sekitar 150 K, tetapi sudah pada
L = 1,5 μm suara kedua akan diamati hingga 250 K.
Pada suhu rendah dan periode kisi pendek, hamburan fonon menghilang, dan transfer panas menjadi balistik. Jika ada suhu tinggi dan lama, perpindahan panas perlahan-lahan beralih ke mode "semu-difusi".
Grafit juga unggul dalam hal isotop. Artinya, sebelumnya bunyi kedua diamati hanya dalam padatan murni isotopically (jika diabaikan, menurut para ilmuwan, pengamatan di SrTiO
3 tidak diperhitungkan). Tetapi grafit yang digunakan dalam percobaan ini tidak murni isotop, yang menunjukkan sifat unik dari hidrodinamika fonon zat ini.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa, perincian, metodologi, dan perhitungan studi ini, saya sangat menyarankan agar Anda melihat
laporan para ilmuwan dan bahan -
bahan tambahan untuknya.
Epilog
Kadang-kadang fenomena atau sifat eksotis tersembunyi di objek yang paling biasa dan biasa-biasa saja. Penelitian ini merupakan konfirmasi dari ini. Suara kedua, sebagai fenomena eksotis, sebelumnya diamati hanya dalam zat yang sangat "aneh" dan dalam kondisi yang sangat ekstrim.
Para ilmuwan menganggap pekerjaan mereka penting untuk studi umum phonon hydrodynamics. Memahami hal-hal seperti itu akan memungkinkan untuk menggunakan grafit dan graphene sebagai bahan penghilang panas dalam mikroelektronika. Para ilmuwan juga percaya bahwa pekerjaan mereka akan mempercepat studi manipulasi dan kontrol proses transportasi dalam skala mikro dan nano.
Kita tahu banyak tentang hal-hal di sekitar kita, tetapi pada saat yang sama, penelitian semacam itu menyarankan sebaliknya. Apakah ada batasan untuk pengetahuan ini? Selama ada keingintahuan dan antusiasme para ilmuwan - tidak.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan.
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di
sini .
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?