Lápis exótico: detectando um segundo som em grafite comum

Acorde de manhã enquanto canta tucanos, observe a previsão do tempo e veja o mesmo +28, vista seu short favorito e dê um passeio pela cidade, afaste os macacos impudentes da lata de lixo, faça um passeio pelo beco das palmeiras, sente-se em um banco em frente ao lago e alimente os flamingos, lembre-se da preparação no inverno e compre outro shorts. Para alguém, esse dia não é incomum, mas para nós (quero dizer, os habitantes das regiões climáticas continentais), isso é realmente exótico. O que flamingo e tucanos têm a ver com a física, você pergunta? E apesar do exótico também não ser alheio à física, manifestado em processos, substâncias e fenômenos que de alguma forma diferem da norma geralmente aceita. Hoje vamos falar sobre apenas um desses fenômenos - o segundo som encontrado em grafite comum. O que há de tão exótico nele que os cientistas o encontraram e devemos compartilhar seu entusiasmo pela descoberta? Nós vamos encontrar as respostas, onde e geralmente - não, não no Google, mas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Retiro teórico

O segundo som é um nome bastante engraçado para o fenômeno, que indiretamente se refere ao próprio som (ele está ligeiramente em contato com as mangas, por assim dizer). O segundo som é um fenômeno da mecânica quântica, no qual a transferência de calor ocorre em forma de onda, em vez da difusão usual. A palavra “som” está presente no nome desse processo devido à semelhança da propagação de ondas pelo calor com uma propagação semelhante das ondas sonoras.

As ondas sonoras são flutuações na densidade das moléculas de uma substância, mas as ondas do segundo som já são flutuações na densidade de excitações térmicas semelhantes a partículas ( fonons e rotons * ).

Roton * é uma quase partícula no superfluido ⁴ He (hélio-4).

Manifestações anteriores do segundo som foram encontradas em uma lista bastante pequena de substâncias e a temperaturas suficientemente baixas:

- ² He - hélio líquido ( superfluido * ) obtido pelo resfriamento de 4He abaixo de 2,1768 K;

- ⁴ He, ³ He, Bi (bismuto) a uma temperatura de 1,2 ... 4,0 K e NaF (fluoreto de sódio) no estado sólido de agregação a uma temperatura de 10 ... 20 K.

Superfluidez * é uma propriedade de um fluido com viscosidade zero, o que lhe permite fluir sem perda de energia cinética. Em outras palavras, essa substância (líquido quântico) a temperaturas próximas ao zero absoluto pode passar por orifícios e capilares muito estreitos sem atrito.

No entanto, os cientistas não pararam de procurar um segundo som em outras substâncias. A busca produziu resultados - sinais de um segundo som foram encontrados em grafite comum a temperaturas acima de 100 K.

Em seu estudo, os cientistas usaram medidas ópticas de transferência de calor em grafite com uma escala de comprimento de 5-20 mícrons. Os resultados observacionais são completamente comparáveis ​​com os cálculos realizados anteriormente e, teoricamente, indicam a presença de um segundo som na escala de ~ 1 μm em altas temperaturas (até a temperatura ambiente).

Os pesquisadores lembram que em sólidos não metálicos comuns, o calor é transferido por vibrações de treliça ou fônons * (não confundir com fótons). Em um cristal ideal (praticamente) a uma temperatura de cerca de 10 K, os fônons podem se propagar a distâncias microscópicas sem espalhamento, e isso leva à transferência de calor balístico.

Phonon * é um quantum do movimento vibracional de um átomo de cristal.

À temperatura ambiente, o comprimento médio da transferência de calor no fônon é bastante pequeno devido às altas velocidades de dispersão fônon-fônon; portanto, o calor se propaga devido à difusão nas distâncias macroscópicas.

O segundo som, como fenômeno, está localizado em algum lugar entre a transferência de calor balística e difusiva. Esse modo intermediário é chamado de hidrodinâmica do fônon. Em tal situação, a dispersão fonon-fonon normal ocorre com muito mais freqüência, na qual o momento fonon total reduzido é retido e o processo de transferência * é menos comum. Processos de transferência * - quando as quasipartículas colidem em cristais, e a lei de conservação do momento é realizada até o vetor de rede recíproca.No entanto, a dispersão normal por si só não é suficiente para dispersar o fluxo de calor e retornar a estrutura ao estado de equilíbrio térmico. Em vez disso, a população de fônons relaxa para uma distribuição "parcial" de Bose-Einstein, caracterizada por uma velocidade de desvio diferente de zero, comparável ao fluxo de moléculas nos gases. Isso permite que as ondas térmicas (ondas de densidade de fônons) se propaguem a uma velocidade abaixo da velocidade do som.

Resultados da pesquisa

Em preparação para as experiências reais, os cientistas fizeram cálculos e se familiarizaram com algumas previsões teóricas feitas anteriormente. Eles descobriram que um segundo som deveria ocorrer no intervalo de tempo entre a dispersão normal e a ultrapassagem (τ _N <t <τ _U ). De acordo com as previsões teóricas, a escala de nanossegundos do experimento foi estabelecida para o grafeno. E isso complica o processo de pesquisa devido à incapacidade de usar sensores de temperatura convencionais para determinar a transferência de calor. Portanto, os cientistas se voltaram para os lasers para obter ajuda. Mais precisamente, o método de grades térmicas de transição ( 1A ) foi usado quando dois pulsos de laser curtos (60 ps) se cruzam na superfície da amostra.


Imagem Nº 1

O “aperto de mão” do laser forma uma fonte de calor espacialmente sinusoidal, cujo período ( L ) é determinado pelo padrão de interferência óptica.

Devido à radiação térmica, uma “estrutura térmica” é formada - um campo de temperatura espacialmente sinusoidal ao longo da superfície da amostra (∆T (t, z) cos (qx), onde q = 2π / L é o vetor de onda da estrutura térmica). Posteriormente, devido à transferência de calor, essa grade de calor decai. A expansão térmica cria uma modulação sinusoidal acoplada do deslocamento da superfície ou "pulsação" u (t) cos (qx), que atua como uma grade de difração de transição para radiação laser. Assim, a atenuação (deterioração) da grade de calor devido à transferência de calor é controlada pela difração dependente do tempo do laser da sonda de onda contínua. O feixe difratado é sobreposto ao feixe de referência da mesma fonte para detecção óptica de heteródino.

O grafite pirolítico altamente orientado foi o protagonista deste estudo, ou seja, uma amostra. A amostra era um policristalino com um tamanho de grão de ~ 10 μm, e a posição do eixo de todos os grãos era perpendicular à superfície da própria amostra.

Inicialmente, a luz de 515 nm foi usada na amostra para criar a grade térmica inicial a uma profundidade de pele óptica de ~ 30 nm. O processo de transferência de calor prosseguiu em duas direções: ao longo da superfície da grade de calor (no plano) e perpendicular à superfície (plano transversal). A transferência de calor no plano transversal da grafite foi ~ 300 vezes mais fraca que a transferência no plano. Assim, a profundidade da difusão térmica no plano transversal é muito menor que a posição da rede de calor.

De acordo com a difusão de calor (τ = L ² / 4π ² ⍺), em um meio unidimensional, a rede de calor de transição decai exponencialmente. Esta afirmação foi confirmada na prática: a uma temperatura de 300 K, foram detectados sinais de decaimento exponencial ( 1B ). Em L (período de treliça) igual a 37,5 μm, foi obtida uma difusividade térmica de 11 cm ² / s.

Com uma diminuição no período da rede, a fórmula de difusão de calor fornecida acima não corresponde a um valor constante de ⍺ (difusividade térmica). Quanto menor o período da rede, mais lenta é a deterioração / atenuação da rede térmica de transição ( 1C ). E isso está em desacordo com as previsões do modelo de difusão de transferência de calor.


Imagem No. 2

O gráfico 2A mostra mudanças significativas quando a temperatura cai para 85 K. A uma temperatura de 300 K, os sinais diminuem monotonamente, mas a 85 K, oscilações amortecidas ocorrem quando o sinal pode cair abaixo de zero. Para detecção heterodina, uma mudança no sinal do sinal da rede de calor de transição significa que a fase espacial da rede mudou em π. Em outras palavras, a posição dos máximos locais e mínimos dos deslocamentos de superfície (incluindo temperatura) é invertida. E esse comportamento da grade térmica de transição é comparável à onda estacionária térmica * .

Onda estacionária * é um processo de onda em sistemas oscilatórios distribuídos com alternância e estabilidade no espaço máximo e mínimo da amplitude.

Na versão de difusão, a transferência de calor ocorre das áreas mais quentes para as mais frias, e os máximos e mínimos não podem ser trocados. Ou seja, essa observação é uma característica distintiva da propagação das ondas de calor.

A inserção no gráfico 2A mostra que, à medida que o período da rede aumenta, a frequência da dinâmica ondulatória diminui. A relação linear observada indica uma velocidade de 3200 m / s. Esta é uma observação importante, pois frequentemente os sinais térmicos de transição podem conter oscilações devido a ondas acústicas na superfície, mas sua velocidade é muito menor. Dado que a velocidade das ondas acústicas de superfície é de aproximadamente 1480 m / s, o que é próximo da velocidade transversal lenta, enquanto a velocidade transversal rápida é de 14700 m / s, e a velocidade longitudinal é ainda maior. Também é importante notar que, se houvesse ondas acústicas, elas não desapareceriam com o aumento da temperatura de fundo ou do período da rede.

Para simular essa dinâmica, os cientistas aplicaram a equação de transporte linear de Boltzmann com uma matriz de dispersão completa de três fônons em uma rede de calor de transição unidimensional. Anteriormente, um método semelhante era usado para determinar a condutividade térmica do grafeno e grafite. No entanto, essa técnica era um tanto limitada e não poderia ser aplicada se não fosse em novos estudos que descrevessem um método para calcular a frequência das funções de Green para transporte de Boltzmann instável e não homogêneo. A Figura 2B mostra precisamente essas funções de Green que descrevem a reação de uma população de fônons a uma fonte de calor na forma de uma onda plana harmônica.

Os cálculos realizados pelos cientistas, levando em consideração os métodos acima, permitiram entender a dependência temporal da amplitude da grade térmica. Cálculos a uma temperatura de 300 K e vários períodos de rede mostraram a atenuação exponencial da rede térmica de transição, que é totalmente consistente com o experimento ( 1C ). A uma temperatura de 85 K, a função de frequência de Green fornece um pico ressonante ( 2B ), que é uma marca registrada do segundo som e leva a oscilações de amortecimento ( 2C ). Todos os dados calculados são completamente comparáveis ​​aos experimentais - até o fato do desaparecimento do segundo som em grandes períodos da rede térmica de transição.

Os cálculos mostraram que a velocidade do segundo som (levando em consideração a posição do pico da ressonância de frequência em 2C ) é de 3650 m / s. Esse indicador distingue a grafite de vários outros materiais onde um segundo som foi detectado. Neles, a velocidade do segundo som era mais lenta que a velocidade mínima dos fônons. A grafite também é surpreendente, pois possui uma velocidade muito baixa do modo acústico transversal lento. E a impressionante anarmonicidade e densidade dos estados desse modo levam a uma dispersão normal intensa e criam condições para a transferência hidrodinâmica dos fônons.


Imagem No. 3

O gráfico acima ( Nº 3 ) exibe os dados da grade térmica de transição a um período constante de 10 μm e a diferentes temperaturas. O comportamento vibracional foi observado a 104 K e mesmo a 125 K, mas quando atinge uma temperatura de 150 K, desaparece completamente. O mesmo acontece quando a temperatura cai abaixo de 50 K.

O gráfico também mostra uma resposta simulada a 50 K no modo balístico, quando a taxa de espalhamento do fônon foi definida como zero. E aqui está claro que a falha na resposta no modo balístico desaparece. Ou seja, o desaparecimento do segundo som a uma temperatura de 50 K corresponde ao que é esperado durante a transição para o modo balístico.


Imagem No. 4

A modelagem dos dados mostrou que o aparecimento de um segundo som pode ser esperado na faixa de temperatura de 50 a 250 K. Quanto maior a temperatura, menor o comprimento da transferência de calor: em L = 10 μm, a temperatura "teto" é de cerca de 150 K, mas já em L = 1,5 μm um segundo som será observado até 250 K.

Em baixas temperaturas e curtos períodos de treliça, a dispersão de fônons desaparece e a transferência de calor se torna balística. Se houver altas temperaturas e longos períodos, a transferência de calor passa lentamente para o modo "quase-difusão".

A grafite também se destacou em termos de isótopos. Ou seja, anteriormente o segundo som era observado apenas em sólidos isotopicamente puros (se desconsiderados, de acordo com os cientistas, as observações no SrTiO ₃ não _são levadas em consideração). Mas a grafite usada no experimento não é isotopicamente pura, o que indica a natureza única da hidrodinâmica dos fônons dessa substância.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances, detalhes, metodologia e cálculos do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais a ele.

Epílogo

Às vezes, fenômenos ou propriedades exóticas estão ocultos nos objetos mais comuns e comuns. Este estudo foi uma confirmação disso. O segundo som, sendo um fenômeno exótico, foi observado anteriormente apenas em substâncias muito "estranhas" e sob condições muito extremas.

Os cientistas consideram seu trabalho importante para o estudo geral da hidrodinâmica dos fônons. A compreensão de tais coisas tornará possível o uso de grafite e grafeno como materiais dissipadores de calor em microeletrônica. Os cientistas também acreditam que seu trabalho acelerará o estudo da manipulação e controle dos processos de transporte nas micro e nanoescalas.

Sabemos muito sobre as coisas ao nosso redor, mas, ao mesmo tempo, esses estudos sugerem o contrário. Existe um limite para esse conhecimento? Enquanto houver a curiosidade e entusiasmo dos cientistas - não.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal.

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