La prochaine fois que vous mettez une bouilloire à bouillir, Considérez ce scénario :Après avoir éteint le brûleur, au lieu de rester au chaud et de réchauffer lentement la cuisine et la cuisinière environnantes, la bouilloire se refroidit rapidement à température ambiante et sa chaleur s'envole sous la forme d'une vague bouillante.

Nous savons que la chaleur ne se comporte pas de cette façon dans notre environnement quotidien. Mais maintenant, les chercheurs du MIT ont observé ce mode de transport de chaleur apparemment invraisemblable, connu sous le nom de "deuxième son, " dans un matériau assez banal :le graphite, l'étoffe de la mine de crayon.

A des températures de 120 kelvins, ou -240 degrés Fahrenheit, ils ont vu des signes clairs que la chaleur peut voyager à travers le graphite dans un mouvement ondulatoire. Les points qui étaient à l'origine chauds sont instantanément laissés froids, lorsque la chaleur se déplace à travers le matériau à une vitesse proche de la vitesse du son. Le comportement ressemble à la manière ondulatoire dont le son se propage dans l'air, les scientifiques ont donc surnommé ce mode exotique de transport de chaleur « second son ».

Les nouveaux résultats représentent la température la plus élevée à laquelle les scientifiques ont observé le deuxième son. Quoi de plus, le graphite est un matériau disponible dans le commerce, contrairement à plus pur, matériaux difficiles à contrôler qui ont présenté un second son à 20 K, (-420 F) - des températures qui seraient beaucoup trop froides pour exécuter des applications pratiques.

La découverte, Publié dans Science , suggère que le graphite, et peut-être son parent très performant, graphène, peut éliminer efficacement la chaleur dans les dispositifs microélectroniques d'une manière qui n'était pas connue auparavant.

« Il y a une énorme pression pour rendre les choses plus petites et plus denses pour des appareils comme nos ordinateurs et nos appareils électroniques, et la gestion thermique devient plus difficile à ces échelles, " dit Keith Nelson, le professeur de chimie Haslam et Dewey au MIT. "Il y a de bonnes raisons de croire que le deuxième son pourrait être plus prononcé dans le graphène, même à température ambiante. S'il s'avère que le graphène peut efficacement éliminer la chaleur sous forme de vagues, ce serait certainement merveilleux."

Le résultat est le fruit d'une longue collaboration interdisciplinaire entre le groupe de recherche de Nelson et celui de Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg de génie mécanique et de génie énergétique. Les co-auteurs du MIT sur le papier sont les auteurs principaux Sam Huberman et Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding, et Alexeï Maznev.

"Dans la voie express"

Normalement, la chaleur traverse les cristaux de manière diffuse, porté par des "phonons, " ou des paquets d'énergie vibratoire acoustique. La structure microscopique de tout solide cristallin est un réseau d'atomes qui vibrent lorsque la chaleur se déplace à travers le matériau. Ces vibrations de réseau, les phonons, finalement emporter la chaleur, en le diffusant depuis sa source, bien que cette source reste la région la plus chaude, un peu comme une bouilloire refroidissant progressivement sur une cuisinière.

La bouilloire reste l'endroit le plus chaud car la chaleur étant emportée par les molécules de l'air, ces molécules sont constamment dispersées dans toutes les directions, y compris le dos vers la bouilloire. Cette « rétrodiffusion » se produit également pour les phonons, gardant la région chauffée d'origine d'un solide l'endroit le plus chaud même lorsque la chaleur se diffuse.

Cependant, dans des matériaux qui présentent un second son, cette rétrodiffusion est fortement supprimée. Au lieu de cela, les phonons conservent leur élan et s'élancent en masse, et la chaleur emmagasinée dans les phonons est transportée sous forme d'onde. Ainsi, le point qui a été chauffé à l'origine est presque instantanément refroidi, proche de la vitesse du son.

Des travaux théoriques antérieurs dans le groupe de Chen avaient suggéré que, dans une plage de températures, les phonons du graphène peuvent interagir principalement de manière à conserver la quantité de mouvement, indiquant que le graphène peut présenter un deuxième son. L'année dernière, Hubermann, un membre du laboratoire de Chen, était curieux de savoir si cela pouvait être vrai pour des matériaux plus courants comme le graphite.

S'appuyant sur des outils précédemment développés dans le groupe de Chen pour le graphène, il a développé un modèle complexe pour simuler numériquement le transport des phonons dans un échantillon de graphite. Pour chaque phonon, il a gardé une trace de chaque événement de diffusion possible qui pourrait avoir lieu avec tous les autres phonons, en fonction de leur direction et de leur énergie. Il a exécuté les simulations sur une plage de températures, de 50 K à température ambiante, et a découvert que la chaleur pouvait s'écouler d'une manière similaire au second son à des températures comprises entre 80 et 120 K.

Huberman avait collaboré avec Duncan, dans le groupe de Nelson, sur un autre projet. Quand il a partagé ses prédictions avec Duncan, l'expérimentateur décida de mettre les calculs d'Huberman à l'épreuve.

"Ce fut une collaboration incroyable, " dit Chen. "Ryan a tout abandonné pour faire cette expérience, en très peu de temps."

"Nous étions vraiment dans la voie express avec ça, " ajoute Duncan.

Renverser la norme

L'expérience de Duncan était centrée sur un petit Échantillon de 10 millimètres carrés de graphite disponible dans le commerce.

En utilisant une technique appelée réseau thermique transitoire, il a croisé deux faisceaux laser de sorte que l'interférence de leur lumière a généré un motif "d'ondulation" sur la surface d'un petit échantillon de graphite. Les régions de l'échantillon sous-jacentes aux crêtes de l'ondulation ont été chauffées, tandis que celles qui correspondaient aux creux de l'ondulation restaient non chauffées. La distance entre les crêtes était d'environ 10 microns.

Duncan a ensuite projeté sur l'échantillon un troisième faisceau laser, dont la lumière était diffractée par l'ondulation, et son signal a été mesuré par un photodétecteur. Ce signal était proportionnel à la hauteur du motif d'ondulation, qui dépendait de combien les crêtes étaient plus chaudes que les creux. De cette façon, Duncan pouvait suivre la façon dont la chaleur circulait dans l'échantillon au fil du temps.

Si la chaleur devait circuler normalement dans l'échantillon, Duncan aurait vu les ondulations de surface diminuer lentement à mesure que la chaleur se déplaçait des crêtes aux creux, laver le motif d'ondulation. Au lieu, il a observé "un comportement totalement différent" à 120 K.

Plutôt que de voir les crêtes se dégrader progressivement au même niveau que les creux en se refroidissant, les crêtes sont devenues plus froides que les creux, de sorte que le motif d'ondulation était inversé, ce qui signifie que pendant une partie du temps, la chaleur coulait en fait des régions plus froides vers les régions plus chaudes.

"C'est complètement contraire à notre expérience quotidienne, et au transport thermique dans presque tous les matériaux à n'importe quelle température, " Dit Duncan. " Cela ressemblait vraiment à un deuxième son. Quand j'ai vu cela, j'ai dû m'asseoir pendant cinq minutes, et je me suis dit, « Cela ne peut pas être réel. » Mais j'ai fait l'expérience pendant la nuit pour voir si cela se reproduisait, et cela s'est avéré très reproductible."

Selon les prédictions d'Huberman, le relatif bidimensionnel du graphite, graphène, peuvent également présenter des propriétés de second son à des températures encore plus élevées approchant ou dépassant la température ambiante. Si c'est le cas, qu'ils envisagent de tester, alors le graphène peut être une option pratique pour refroidir des dispositifs microélectroniques de plus en plus denses.

« C'est l'un des quelques faits saillants de ma carrière auxquels je me tournerais, où les résultats bouleversent vraiment la façon dont vous pensez normalement à quelque chose, " dit Nelson. " C'est rendu plus excitant par le fait que, selon où il va d'ici, il pourrait y avoir des applications intéressantes à l'avenir. Il ne fait aucun doute d'un point de vue fondamental, c'est vraiment inhabituel et excitant."