Forskare från Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) har upptäckt och teoretiskt förklarat en ny fysisk effekt:amplituden av mekaniska vibrationer kan växa utan yttre påverkan. Den vetenskapliga gruppen gav sin förklaring om hur man eliminerar Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-paradoxen.

Forskarna vid SPbPU förklarade det med ett enkelt exempel:att gunga en gunga, du måste fortsätta trycka på den. Det anses allmänt att det är omöjligt att uppnå oscillerande resonans utan konstant yttre påverkan.

Dock, den vetenskapliga gruppen vid Högre skolan för teoretisk mekanik, Institutet för tillämpad matematik och mekanik SPbPU upptäckte ett nytt fysiskt fenomen med ballistisk resonans, " där mekaniska svängningar endast kan exciteras på grund av systemets interna termiska resurser.

Det experimentella arbetet av forskare från hela världen visade, att värme sprids med onormalt höga hastigheter på nano- och mikronivåer i ultrarena kristallina material. Detta fenomen kallas ballistisk värmeledningsförmåga.

Den vetenskapliga gruppen som övervakas av motsvarande medlem av Russian Academy of Sciences Anton Krivtsov, härledde ekvationerna som beskriver detta fenomen och gjorde betydande framsteg i den övergripande förståelsen av termiska processer på mikronivå. I studien publicerad i Fysisk granskning E forskare övervägde systemets beteende vid den initiala periodiska fördelningen av temperatur i kristallmaterialet.

Det upptäckta fenomenet beskriver att värmeutjämningsprocessen leder till mekaniska vibrationer med en amplitud som växer med tiden. Effekten kallas ballistisk resonans.

"Under de senaste åren, vår vetenskapliga grupp har undersökt mekanismerna för värmeutbredning på mikro- och nanonivåer. Vi fick reda på att på dessa nivåer, värme sprids inte på det sätt vi förväntade oss:till exempel, värme kan flöda från kallt till varmt. Detta beteende hos nanosystem leder till nya fysiska effekter, som ballistisk resonans, " sa docent vid Higher School of Theoretical Mechanics SPbPU Vitaly Kuzkin.

Enligt honom, i framtiden planerar forskarna att analysera hur detta kan användas i så lovande material som, till exempel, grafen.

Dessa upptäckter ger också en möjlighet att lösa paradoxen med Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. 1953, en vetenskaplig grupp ledd av Enrico Fermi genomförde ett datorexperiment som senare blev känt. Forskare ansåg den enklaste modellen av svängningar av en kedja av partiklar som är förbundna med fjädrar. De antog att den mekaniska rörelsen gradvis skulle försvinna, förvandlas till kaotiska termiska svängningar. Fortfarande, resultatet var oväntat:svängningarna i kedjan förstördes nästan, men återupplivades sedan och nådde nästan den ursprungliga nivån. Systemet kom till sitt ursprungliga tillstånd, och cykeln upprepade sig. Orsakerna till mekaniska svängningar från termiska vibrationer i det övervägda systemet har varit föremål för vetenskaplig forskning och dispyter i årtionden.

Amplituden av mekaniska vibrationer orsakade av ballistisk resonans ökar inte oändligt, men når sitt maximum; efter det börjar den gradvis minska till noll. Så småningom, mekaniska svängningar bleknar helt, och temperaturen kommer i jämvikt i hela kristallen. Denna process kallas termalisering. För fysiker, detta experiment är viktigt eftersom en kedja av partiklar sammankopplade med fjädrar är en bra modell av kristallmaterial.

Forskare från Higher School of Theoretical Mechanics visade att övergången av mekanisk energi till värme är irreversibel om vi betraktar processen vid den ändliga temperaturen.

"Vanligtvis, det tas inte hänsyn till att i verkliga material, det finns en termisk rörelse, tillsammans med en mekanisk, och energin för termisk rörelse är flera storleksordningar högre. Vi återskapade dessa förhållanden i ett datorexperiment och visade att det är den termiska rörelsen som dämpar den mekaniska vågen och förhindrar återupplivandet av svängningar, " förklarade Anton Krivtsov, direktör för Högre skolan för teoretisk mekanik SPbPU, motsvarande medlem av ryska vetenskapsakademin.

Enligt experter, det teoretiska tillvägagångssättet som föreslagits av SPbPU-forskarna visar ett nytt förhållningssätt till hur vi förstår värme och temperatur. Det kan vara grundläggande för utvecklingen av nanoelektroniska enheter i framtiden.