Nästa gång du ställer in en vattenkokare att koka, överväg det här scenariot:Efter att ha stängt av brännaren, istället för att hålla sig varm och sakta värma upp det omgivande köket och spisen, vattenkokaren svalnar snabbt till rumstemperatur och dess värme susar iväg i form av en kokhet våg.

Vi vet att värme inte beter sig på detta sätt i vår dagliga omgivning. Men nu har MIT-forskare observerat detta till synes osannolika sätt att transportera värme, känt som "andra ljud, " i ett ganska vanligt material:grafit - grejen med blyertspenna.

Vid temperaturer på 120 kelvin, eller -240 grader Fahrenheit, de såg tydliga tecken på att värme kan färdas genom grafit i en vågliknande rörelse. Punkter som ursprungligen var varma lämnas omedelbart kalla, när värmen rör sig över materialet med nära ljudets hastighet. Beteendet liknar det vågliknande sättet på vilket ljud färdas genom luften, så forskare har kallat detta exotiska sätt att transportera värme "andra ljud".

De nya resultaten representerar den högsta temperaturen vid vilken forskare har observerat andra ljud. Vad mer, grafit är ett kommersiellt tillgängligt material, i motsats till mer ren, svårkontrollerade material som har uppvisat andra ljud vid 20 K, (-420 F) – temperaturer som skulle vara alldeles för kalla för att köra några praktiska tillämpningar.

Upptäckten, publiceras i Vetenskap , föreslår att grafit, och kanske dess högpresterande släkting, grafen, kan effektivt ta bort värme i mikroelektroniska enheter på ett sätt som tidigare inte kändes igen.

"Det finns ett stort tryck för att göra saker mindre och tätare för enheter som våra datorer och elektronik, och värmehantering blir svårare i dessa skalor, " säger Keith Nelson, Haslam och Dewey professor i kemi vid MIT. "Det finns goda skäl att tro att andra ljud kan vara mer uttalat i grafen, även vid rumstemperatur. Om det visar sig att grafen effektivt kan ta bort värme som vågor, det skulle verkligen vara underbart."

Resultatet kom från ett långvarigt tvärvetenskapligt samarbete mellan Nelsons forskargrupp och Gang Chen, Carl Richard Söderberg professor i maskinteknik och kraftteknik. MIT medförfattare på tidningen är huvudförfattarna Sam Huberman och Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding, och Alexei Maznev.

"I expressfilen"

I vanliga fall, värme färdas genom kristaller på ett diffust sätt, buren av "fononer, " eller paket av akustisk vibrationsenergi. Den mikroskopiska strukturen hos varje kristallint fast ämne är ett gitter av atomer som vibrerar när värme rör sig genom materialet. Dessa gittervibrationer, fononerna, slutligen föra bort värmen, sprider det från dess källa, även om den källan fortfarande är den varmaste regionen, ungefär som en vattenkokare som gradvis svalnar på en spis.

Vattenkokaren förblir den varmaste platsen eftersom värmen förs bort av molekyler i luften, dessa molekyler är ständigt utspridda i alla riktningar, inklusive tillbaka mot vattenkokaren. Denna "back-scattering" förekommer även för fononer, att hålla den ursprungliga uppvärmda delen av ett fast ämne den varmaste platsen även när värme diffunderar bort.

Dock, i material som uppvisar andra ljud, denna bakåtspridning är kraftigt undertryckt. Fononer sparar istället farten och rusar iväg i massor, och värmen som lagras i fononerna bärs som en våg. Således, punkten som ursprungligen värmdes kyls nästan omedelbart, nära ljudets hastighet.

Tidigare teoretiskt arbete i Chens grupp hade föreslagit att, inom ett temperaturintervall, fononer i grafen kan interagera övervägande på ett momentumbevarande sätt, vilket indikerar att grafen kan uppvisa andra ljud. Förra året, Huberman, en medlem av Chens labb, var nyfiken på om detta kunde vara sant för mer vanliga material som grafit.

Bygger på verktyg som tidigare utvecklats i Chens grupp för grafen, han utvecklade en intrikat modell för att numeriskt simulera transporten av fononer i ett grafitprov. För varje fonon, han höll reda på alla möjliga spridningshändelser som kunde äga rum med varannan fonon, baserat på deras riktning och energi. Han körde simuleringarna över en rad temperaturer, från 50 K till rumstemperatur, och fann att värme kan flöda på ett sätt som liknar andra ljud vid temperaturer mellan 80 och 120 K.

Huberman hade samarbetat med Duncan, i Nelsons grupp, på ett annat projekt. När han delade sina förutsägelser med Duncan, experimentalisten bestämde sig för att sätta Hubermans beräkningar på prov.

"Det här var ett fantastiskt samarbete, " säger Chen. "Ryan släppte i princip allt för att göra det här experimentet, på mycket kort tid."

"Vi var verkligen i expressfilen med det här, " tillägger Duncan.

Att höja normen

Duncans experiment kretsade kring en liten, 10 kvadratmillimeter prov av kommersiellt tillgänglig grafit.

Genom att använda en teknik som kallas transient termiskt gitter, han korsade två laserstrålar så att interferensen av deras ljus genererade ett "krusningsmönster" på ytan av ett litet grafitprov. Områdena av provet som låg under krusningens toppar värmdes upp, medan de som motsvarade krusningens tråg förblev ouppvärmda. Avståndet mellan topparna var cirka 10 mikron.

Duncan lyste sedan på provet en tredje laserstråle, vars ljus böjdes av krusningen, och dess signal mättes med en fotodetektor. Denna signal var proportionell mot höjden på krusningsmönstret, vilket berodde på hur mycket varmare topparna var än dalarna. På det här sättet, Duncan kunde spåra hur värme flödade över provet över tiden.

Om värme skulle flöda normalt i provet, Duncan skulle ha sett ytans krusningar långsamt minska när värmen flyttade från toppar till dalar, tvätta bort krusningsmönstret. Istället, han observerade "ett helt annat beteende" vid 120 K.

Istället för att se topparna gradvis förfalla till samma nivå som dalarna när de svalnade, topparna blev faktiskt kallare än dalarna, så att krusningsmönstret var inverterat – vilket betyder att under en del av tiden, värme flödade faktiskt från kallare regioner till varmare regioner.

"Det är helt tvärtemot vår vardagliga erfarenhet, och till termisk transport i nästan alla material vid vilken temperatur som helst, " säger Duncan. "Det här såg verkligen ut som ett andra ljud. När jag såg detta fick jag sitta ner i fem minuter, och jag sa till mig själv, "Det här kan inte vara verkligt." Men jag körde experimentet över natten för att se om det hände igen, och det visade sig vara mycket reproducerbart."

Enligt Hubermans förutsägelser, grafitens tvådimensionella släkting, grafen, kan också uppvisa egenskaper hos andra ljud vid ännu högre temperaturer som närmar sig eller överstiger rumstemperatur. Om detta är fallet, som de planerar att testa, då kan grafen vara ett praktiskt alternativ för att kyla allt tätare mikroelektroniska enheter.

"Detta är en av ett litet antal karriärhöjdpunkter som jag skulle se till, där resultaten verkligen upphäver det sätt du normalt tänker på något, " säger Nelson. "Det blir mer spännande av det faktum att beroende på vart det går härifrån, det kan finnas intressanta applikationer i framtiden. Det är ingen fråga ur en grundläggande synvinkel, det är verkligen ovanligt och spännande."