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瑞安邓肯冻结。他刚刚进行了一项新的实验,研究普通石墨——铅笔芯的材料——但实验结果在物理上似乎是不可能的:热量通常以音速在石墨中缓慢传播。这就像把一壶水放在一个热炉子上,而不是倒数几分钟直到水开始沸腾,看着它几乎是瞬间沸腾的。
 
难怪麻省理工学院的研究生邓肯不敢相信自己的眼睛。为了确保他没有犯错误,他四次检查了他的装置内的所有东西,再次进行了实验,并休息了一下精神健康。他回忆道:“我试着去睡一会儿,因为我知道再过几个小时我就无法判断这个实验是否成功了,但我发现晚上很难让自己安静下来。”第二天早上,当邓肯的闹钟响起时,他跑到电脑前(仍然穿着睡衣),把新的测量结果揉成一团,结果还是一样:热量的移动速度仍然快得令人难以置信。
 
邓肯和他的同事上周在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。这种被称为“第二声”的现象让物理学家们兴奋不已,部分原因是它可能为先进的微电子技术铺平道路, 手机版欧亿用户在意的不过就是整体app使用的流畅度欧亿手机客户端APP好登录吗?这点欧亿平台也是让用户赞誉有加的,但主要原因是它实在是太诡异了。
 
要理解原因,只要想想热量是如何在空气中传导的。它是通过分子携带的,分子之间不断地相互碰撞,将热量分散到各个方向——向前、向侧面甚至向后。这种根本的低效率使得传导热相对缓慢(相比之下,辐射热可以以红外线辐射的光速传播)。同样的惰性也适用于热穿过固体。在这里,声子(声子振动能量的包)携带的热量很像空气中的分子,允许它分散到各个方向,并慢慢分散。邓肯在麻省理工学院的顾问基思尼尔森说:“这有点像,如果你把一滴食用色素放入水中,它就会扩散。”“它不会像箭一样从你放箭的地方径直射出。但这正是邓肯的实验所表明的。在第二种声音中,声子的后向散射被严重抑制,使得热量向前喷射。“这就是波状运动的表现方式, 手机版欧亿用户在意的不过就是整体app使用的流畅度欧亿手机客户端APP好登录吗?这点欧亿平台也是让用户赞誉有加的,”尼尔森说。“如果你在游泳池里,你发射一个水波, 好的欧亿平台代理q58255957才会去探讨欧亿平台内部资源消息欧亿总代理报喜,毕竟这是一个知识快速传播的年代。,它会离开你所在的位置。但是热的这种行为是不正常的。”
 
而在大多数情况下,情况并非如此。第二次声音是75年前在液氦中首次发现的,后来在三个固体中发现。尼尔森说:“早期的所有迹象都表明,这是一种非常有限的物质,只能在非常低的温度下使用。”因此,科学家们认为他们已经走到了尽头。瑞士洛桑联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology)的材料科学家尼古拉•马尔扎里(Nicola Marzari)没有参与这项研究。“因此,整个领域多年来都处于休眠状态。”
 
但是,大约五年前,数值模拟的巨大进步帮助这个领域重新焕发了生机——这让科学家们认识到,这种现象可能会更加普遍。例如,麻省理工学院的工程师陈刚预测,在相当温和的温度下,石墨内部可能会出现第二种声音。这一预测让邓肯兴奋不已,他尽可能快地进行了测试——最终,当结果被证明是如此违反直觉时,他把其他的追求都放在了次要位置。
 
首先,邓肯用两束交叉的激光束将热量沉积到石墨样品中,创造出一种干涉模式——与碰撞光波中的波峰和波谷相对应的亮区和暗区交替出现。一开始,波峰加热石墨,而波谷保持凉爽。但是一旦邓肯关掉激光,随着热量从热的波峰流向冷的波谷,这种图案就会开始慢慢消失。一旦整个样品达到均匀的温度,实验就结束了。或者至少通常是这样。但是当激光停止闪烁时,石墨有了其他的计划,继续让热量流动,直到热波峰比波谷更冷。这就像一个炉子的顶部,一旦你关掉它,它就会变得冰冷,而不是逐渐冷却到室温。“这很奇怪,”尼尔森说。“热量不应该这样做!”
 
在这么高的温度下,它当然不应该这样做。因此,几乎与陈同时预测到这一现象的马尔扎里相当有信心,认为它将被证明是有效的。即便如此,他也不太确定在预期的高温下是否能听到第二声。“如果你让我把我的抵押贷款押注于这种效应的存在,我肯定会答应,”马尔扎里说。“但问题是,它总是在100开尔文、20开尔文还是0.1开尔文时发生?”邓肯的实验发现,这种效应在120开尔文时出现——比之前的测量值高出10倍以上。哈佛大学(Harvard University)技术与公共政策研究教授文卡特什?“从这个意义上说,它打破了一些传统观念。”
 
这也表明这一发现在未来可能会有实际用途。不仅温度远比低温冷却更实用,石墨也是一种常见的材料——这两个特性可能有助于工程师克服微电子学中热量管理的难题。想象一下,如果热量以声速散去,材料和设备就能更快地冷却。这样的壮举肯定会让工程师们制造出更小、更高效的微电子产品。考虑到这一点,Narayanamurti(1968年至1987年在AT&T贝尔实验室从事second sound的工作)怀疑这个领域很快就会再次繁荣起来。“如果我还在贝尔实验室,我会让人们在上面做实验,因为这对未来10年、15年都很重要。”
 
 
 
 
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