科学者たちは、グラファイト内部で魔法のような何かが起こっているのを見てきました。グラファイトの鉛筆の芯です。熱は波のように音速で移動しました。
熱は波のように移動するわけではありません。通常、熱は拡散し、揺れ動く分子からあらゆる方向に跳ね返ります。熱が波として伝わる場合、熱源から離れて一方向に一気に移動することができます。つまり、オブジェクトからのエネルギーを一度にザッピングします。いつの日か、グラファイトのこの熱伝達挙動を利用して、マイクロエレクトロニクスを一気に冷却することができます。つまり、適度な温度で動作させることができる場合（華氏マイナス240度、または摂氏マイナス151度の骨冷え温度で動作していました）。
MITの化学者である研究研究者のキースネルソン氏は、「これが一部の材料で室温になると、いくつかの用途に期待が持てます」とLive Scienceに語り、これがこの動作が発生するのを誰もが見た最高温度であると付け加えました。
ヒートトレインに乗る
研究者らは、加熱されたやかんを使用した「通常の」熱の動きについて説明しました-バーナーをオフにした後、その熱エネルギーは空気分子に乗って、互いにぶつかり、その過程で熱を渡します。これらの分子はあらゆる方向に跳ね回ります。これらの分子の一部は、やかんに戻って散乱します。やがて、やかんの水と周囲は同じ温度で平衡に達します。
固体では、原子が所定の位置に固定されているため、分子は移動しません。 「動くことができるのは音波です」と、MITの機械エンジニアである共著者のGang Chenと一緒にLive Scienceと話をしたネルソンは言いました。
むしろ、熱はフォノンまたは音の振動の小さなパケットにホップします。フォノンは跳ねて散乱し、やかんから空気分子がするように熱を運びます。
奇妙な熱波
これは、この新しい実験で起こったことではありません。
陳による以前の理論的研究は、グラファイトまたはグラフェンを通過するときに熱が波のように移動する可能性があると予測していました。これをテストするために、MITの研究者たちはグラファイトの表面で2本のレーザービームを交差させ、平行な光線があり、光線がない、いわゆる干渉パターンを作成しました。これにより、グラファイト表面に同じパターンの加熱領域と非加熱領域が作成されました。次に、セットアップに別のレーザービームを向けて、グラファイトに当たるとどうなるかを確認しました。
「通常、温度パターンが洗い流されるまで、熱は加熱された領域から非加熱領域に徐々に拡散します」とネルソンは言いました。 「代わりに、熱は加熱領域から非加熱領域に流れ、温度がどこでも均一化された後も流れ続けたため、非加熱領域は実際には元々加熱された領域よりも暖かかった。」一方、加熱された領域は、加熱されていない領域よりもさらに低温になりました。そして、それはすべて息をのむほど速く起こりました-音が通常グラファイトを伝わるのとほぼ同じ速度で。
「熱は散乱せずに波のように動いていたので、熱の流れははるかに速くなった」とネルソンはライブサイエンスに語った。
科学者たちが「セカンドサウンド」と呼ぶこの奇妙な振る舞いを、グラファイトでどのようにして引き起こしたのでしょうか。
「基本的な観点から、これは単なる通常の振る舞いではありません。セカンドサウンドは、これまでにほんの一握りの材料で測定されたものであり、あらゆる温度で測定されたものです。 。
彼らが考えていることは次のとおりです。グラファイト、つまり3D材料は、薄い炭素層が他の層の存在をほとんど認識しない層状構造を持っているため、2D材料であるグラフェンのように動作します。ネルソンがこれを「低次元性」と呼んでいるため、グラファイトの1つの層で熱を運ぶフォノンは、他の層に跳ね返って散乱する可能性がはるかに低くなります。また、グラファイトで形成できるフォノンの波長は、格子内の原子に衝突した後、後方散乱するために後方散乱するために後方散乱として知られている現象である大部分が大きすぎます。これらの小さな音のパケットは少し散乱しますが、主に一方向に移動します。つまり、平均して、はるかに速く長い距離を移動できます。
編集者注：この記事は、実験のいくつかの方法と、前述のように熱が空気ではなくグラファイトを通過するのとほぼ同じ速度で熱が移動するという事実を明確にするために更新されました。
