科學家發現常溫石墨中熱量以聲速移動
麻省理工學院的研究生瑞恩·鄧肯剛剛進行了一項新的石墨實驗，結果令人不敢相信：通常以緩慢分散的熱量以聲速經過石墨。這就像在熱爐上放一盆水，它幾乎瞬間沸騰。
為了確保他沒有犯錯誤，鄧肯對實驗內容進行了四重檢查，再次進行了實驗，並進行了心理健康休息。當他第二天早上在電腦前，他面對相同的結果：熱量仍然快速地移動。
鄧肯和他的同事上週在《科學》雜誌上發表了他們的研究結果。
這種被稱為“第二聲”的現象讓物理學家感到興奮，部分原因是它可以為先進的微電子技術鋪平道路。
空氣傳導熱量是通過分子攜帶，分子不斷相互碰撞，並在各個方向（ 向前，側向甚至向後）散熱。這種方式基本上是低效率，導致導熱相對緩慢（相比之下，輻射熱可以作為紅外輻射以光速傳播）。
熱量在固體中移動同樣緩慢。在固體當中，聲子（晶格振動的簡正模能量量子）像空氣中的分子一樣攜帶熱量，使其在所有方向上散射並緩慢分散。麻省理工學院基思·尼爾森說 ：“這有點像你把一滴食用色素放入水中，就會蔓延開來。它不會像箭頭那樣直接從你放下的地方移開。”
但這正是鄧肯的實驗所發現的奇怪現象。在“第二聲”中，聲子的後向散射被嚴重抑制，從而允許熱量向前發射。
尼爾森說：“這就是波浪運動的表現方式。如果你在游泳池中，並且你製造了一個水波，那麼它將會離開你所在的地方。但是熱量表現不正常。”
而在大多數情況下，不會出現“第二聲”現象。 75年前首次在液氦中檢測到第二聲，後來在三種固體中觀察到這種現象。
尼爾森說：“早期的所有跡象都表明，這種情況實際上僅限於很少的材料，而且只能在非常低的溫度下使用，因此，科學家認為第二聲的研究已經走到了盡頭。”
瑞士聯邦理工學院材料科學家尼古拉·馬紮裡（Nicola Marzari）表示：“並不是非常清楚第二聲音與麻省理工實驗結果的區別。整個領域的研究已經蟄伏多年了。”
但大約在五年前數值模擬的明顯改進幫助恢復了這一領域研究,使學家們認識到這種現象可能更為普遍。例如，麻省理工學院的工程師Gang Chen提出，在常溫溫度下，石墨中可能會看到第二聲現象。
首先，鄧肯使用兩個交叉激光束將熱量沉積到石墨樣品中以產生干涉圖案（交替的明暗區域對應於碰撞波浪中的波峰和波谷）。一開始，波峰加熱石墨，而波谷保持冷卻。但是一旦鄧肯關閉了激光器，當熱量從熱波峰流向冷卻槽時，模式將開始緩慢減弱。一旦整個樣品達到均勻溫度，實驗將結束。當激光停止發光時，石墨繼續讓熱量流動，直到熱的波峰變得比波谷更冷。兩者令人吃驚的出現了反轉，類似波浪起伏一樣。
該發現可能在未來可以找到實際用途。石墨是一種常見的材料，也不需要之前研究認為的低溫條件，這兩個特性可能有助於工程師克服當今微電子學中令人生畏的熱管理問題。
試想一下，如果熱量以聲速散出去，讓材料和設備更快地冷卻。這樣的技術進步肯定會讓工程師們建造出更小，更高效的微電子技術。
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