Des chercheurs de l'Université polytechnique Pierre le Grand de Saint-Pétersbourg (SPbPU) ont découvert et expliqué théoriquement un nouvel effet physique :l'amplitude des vibrations mécaniques peut augmenter sans influence extérieure. Le groupe scientifique a offert son explication sur la façon d'éliminer le paradoxe Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou.

Les scientifiques de SPbPU l'ont expliqué à l'aide d'un exemple simple :balancer une balançoire, vous devez continuer à le pousser. On pense généralement qu'il est impossible d'obtenir une résonance oscillatoire sans une influence extérieure constante.

Cependant, le groupe scientifique de l'Ecole Supérieure de Mécanique Théorique, Institute of Applied Mathematics and Mechanics SPbPU a découvert un nouveau phénomène physique de "résonance balistique, " où les oscillations mécaniques ne peuvent être excitées qu'en raison des ressources thermiques internes du système.

Le travail expérimental de chercheurs du monde entier a démontré, que la chaleur se propage à des vitesses anormalement élevées à des niveaux nano et micro dans les matériaux cristallins ultrapurs. Ce phénomène est appelé conductivité thermique balistique.

Le groupe scientifique supervisé par le membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie Anton Krivtsov, dérivé les équations décrivant ce phénomène et fait des progrès significatifs dans la compréhension globale des processus thermiques au niveau micro. Dans l'étude publiée dans Examen physique E les chercheurs ont examiné le comportement du système à la distribution périodique initiale de la température dans le matériau cristallin.

Le phénomène découvert décrit que le processus d'équilibrage thermique conduit à des vibrations mécaniques dont l'amplitude augmente avec le temps. L'effet est appelé résonance balistique.

"Au cours des dernières années, notre groupe scientifique s'est penché sur les mécanismes de propagation de la chaleur aux niveaux micro et nano. Nous avons découvert qu'à ces niveaux, la chaleur ne se propage pas comme nous l'espérions :par exemple, la chaleur peut passer du froid au chaud. Ce comportement des nanosystèmes conduit à de nouveaux effets physiques, comme la résonance balistique, " a déclaré Vitaly Kuzkin, professeur agrégé de l'École supérieure de mécanique théorique SPbPU.

Selon lui, à l'avenir, les chercheurs prévoient d'analyser comment cela peut être utilisé dans des matériaux aussi prometteurs que, par exemple, graphène.

Ces découvertes sont aussi l'occasion de résoudre le paradoxe Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. En 1953, un groupe scientifique dirigé par Enrico Fermi a réalisé une expérience informatique qui est devenue plus tard célèbre. Les scientifiques ont considéré le modèle le plus simple des oscillations d'une chaîne de particules reliées par des ressorts. Ils supposaient que le mouvement mécanique s'estomperait progressivement, se transformant en oscillations thermiques chaotiques. Toujours, le résultat était inattendu :les oscillations de la chaîne ont d'abord presque disparu, mais a ensuite repris et atteint presque le niveau initial. Le système est arrivé à son état initial, et le cycle s'est répété. Les causes des oscillations mécaniques dues aux vibrations thermiques dans le système considéré font l'objet de recherches scientifiques et de controverses depuis des décennies.

L'amplitude des vibrations mécaniques causées par la résonance balistique n'augmente pas à l'infini, mais atteint son maximum; après cela, il commence à diminuer progressivement jusqu'à zéro. Finalement, les oscillations mécaniques s'estompent complètement, et la température s'équilibre dans tout le cristal. Ce processus est appelé thermalisation. Pour les physiciens, cette expérience est vitale car une chaîne de particules reliées par des ressorts est un bon modèle de matériau cristallin.

Des chercheurs de l'École supérieure de mécanique théorique ont montré que la transition de l'énergie mécanique en chaleur est irréversible si l'on considère le processus à température finie.

"D'habitude, il n'est pas pris en compte que dans les matériaux réels, il y a un mouvement thermique, avec une mécanique, et l'énergie du mouvement thermique est supérieure de plusieurs ordres de grandeur. Nous avons recréé ces conditions dans une expérience informatique et montré que c'est le mouvement thermique qui amortit l'onde mécanique et empêche la reprise des oscillations, " a expliqué Anton Krivtsov, directeur de l'Ecole Supérieure de Mécanique Théorique SPbPU, membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie.

D'après les experts, l'approche théorique proposée par les scientifiques du SPbPU démontre une nouvelle approche de notre compréhension de la chaleur et de la température. Cela pourrait être fondamental dans le développement de dispositifs nanoélectroniques à l'avenir.