下次你把水壶烧开的时候，设想一下这样的情景：关掉炉子后，水壶不是保持热度，慢慢地加热周围的厨房和炉子，而是迅速冷却到室温，它的热量以滚烫的波形式迅速散去。我们知道热量在日常生活中并不是这样的。但是现在，麻省理工学院研究人员在一种相当普通的材料中发现了这种看似不可信的热传递模式，即所谓的“第二声”。在120开尔文(-240华氏度)的温度下，研究人员发现了清晰的迹象，表明热量可以以波状运动穿过石墨。当热量以接近音速的速度穿过物质时，原本是热的点会瞬间变冷。
博科园-科学科普：这种行为类似于声音在空气中传播的波状方式，因此科学家们将这种奇特的热传输模式称为“第二声”。这一新结果代表了科学家观测到第二种声音的最高温度。更重要的是，石墨是一种商业上可用的材料，相比之下，更纯净、更难控制的材料在20k(-420华氏度)的温度下会发出第二声，这种温度会冷到无法进行任何实际应用。发表在《科学》期刊上的这一发现表明，石墨，或许还有它的高性能相关材料石墨烯，可能以一种此前未被认识到的方式，有效地去除微电子设备中的热量。麻省理工学院(MIT)哈斯拉姆(Haslam)和杜威(Dewey)化学教授基思?尼尔森(Keith Nelson)表示：
图片：CC0 Public Domain
在我们的电脑和电子产品等设备上，有一股巨大的推动力，要把东西做得更小、更密集，而在这种规模下，热管理变得更加困难；我们有充分的理由相信，在石墨烯中，即使在室温下，“第二声”也可能更明显。如果事实证明石墨烯能够有效地以波的形式去除热量，那当然是非常棒的。这一结果来自尼尔森的研究小组与机械工程和动力工程教授陈刚(Gang Chen)的跨学科长期合作。本文共同作者是麻省理工学院的Sam Huberman和Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding和Alexei Maznev。
通常情况下，热以扩散的方式通过晶体，由声子或声波振动能量包携带。任何晶体微观结构都是由原子构成的晶格，当热量通过材料时，晶格会发生振动。这些晶格振动，也就是声子，最终把热量带走，从热源中扩散出去，尽管热源仍然是最温暖的区域，就像炉子上的水壶逐渐冷却一样。水壶仍然是最温暖的地方，因为随着热量被空气中的分子带走，这些分子不断地向各个方向分散，包括回到水壶。这种“后向散射”也发生在声子上，即使热量散去，也能使固体的原始受热区域保持温度最高的位置。
然而，在表现出第二声的材料中，这种后向散射受到严重抑制。相反，声子会保持动量，并一起疾驰而去，而储存在声子中的热量会以波的形式传递。因此，最初被加热的点几乎立即冷却，接近音速。研究团队之前的理论工作表明，在一定温度范围内，石墨烯中的声子可能主要以动量守恒的方式相互作用，这表明石墨烯可能呈现“第二声”。去年，实验室的一名成员胡伯曼很好奇，对于石墨等更普通的材料来说，情况是否也是如此。
在团队之前开发的石墨烯工具基础上，他开发了一个复杂模型来数值模拟石墨样品中声子的输运。对于每一个声子，都根据它们的方向和能量，跟踪每一个可能与其他声子一起发生的散射事件。在50 K到室温的温度范围内进行了模拟，发现在80到120 K的温度下，热量可能以类似于第二声的方式流动。休伯曼一直在与纳尔逊所在小组的邓肯合作另一个项目。当他和邓肯分享他的预测时，实验人员决定对休伯曼的计算进行测试。这是一次了不起的合作，瑞安在很短的时间内放弃了一切来做这个实验。
颠覆常规
实验以一个10平方毫米的小型商用石墨样品为中心。利用一种叫做瞬态热光栅的技术，他将两束激光束交叉，使它们的光干涉在一小块石墨表面产生“波纹”图案。纹波波峰下的样品区域被加热了，而与纹波波谷相对应的区域则没有加热。波峰之间的距离约为10微米。然后将第三束激光照射到样品上，这束激光被波纹衍射，它的信号被一个光电探测器测量。这个信号与波纹图案的高度成正比，波纹图案的高度取决于波峰比波谷热多少。
这样就可以追踪热量是如何随着时间的推移流过样品。如果热量在样品中正常流动，会看到表面的波纹随着热量从波峰转移到波谷而慢慢减小，波纹图案也随之消失。相反，他在120K时观察到“完全不同的行为”。在冷却过程中，波峰并没有逐渐衰减到与波谷相同的水平，相反，波峰实际上变得比波谷更冷，因此波纹图案是相反的——这意味着在某些时候，热量实际上从较冷的区域流向较热区域。
这完全违背了日常经验，也违背了几乎所有材料在任何温度下的热传导。这真的很像“第二声”。根据休伯曼的预测，石墨的二维相对结构——石墨烯，在接近或超过室温的更高温度下，也可能表现出第二声的特性。尼尔森说：这是我关注的少数研究亮点之一，在这些亮点中，结果真的颠覆了通常的思考方式。更令人兴奋的是，根据它的发展方向，未来可能会有有趣的应用。从最基本角度来看，这是毫无疑问的，这是非常不寻常和令人兴奋的。
博科园-科学科普｜研究/来自:麻省理工学院
参考期刊文献:《科学》
DOI: 10.1126/science.aav3548
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