Наблюдая за ходе очередного эксперимента, Райан Дункан был поражен полученными данными. Непосредственно перед этим он завершил исследование свойств обычного графита — материала, широко известного как компонент грифеля карандаша. Результаты исследования оказались аномальными с точки зрения физики: тепловая энергия, которая в обычных условиях рассеивается медленно, проходила через графит со скоростью звука. Данное явление можно сравнить с мгновенным закипанием воды при постановке кастрюли на плиту вместо ожидаемого длительного процесса нагрева. Учитывая столь исключительный характер наблюдений, Дункан, аспирант Массачусетского технологического института, не мог сразу принять результаты как достоверные. Для подтверждения выводов ему потребовалось четырежды проверить все компоненты установки, повторно провести эксперимент и сделать перерыв для анализа полученной информации.

«Я попытался поспать, зная, что не смогу определить, был ли эксперимент успешным или нет, еще несколько часов, но отключиться было довольно трудно», – вспоминает он.

Когда на следующее утро будильник Дункана зазвенел, он прямо в пижаме побежал к компьютеру и просмотрел новые измерения. Результаты был все тем же: тепло двигалось невероятно быстро.

Результаты своей работы Дункан опубликовал в журнале Science. Это явление, известное как «второй звук», приводит физиков в восторг — отчасти потому, что может проложить путь к продвинутой микроэлектронике, и отчасти потому, что это очень странное явление.

Чтобы понять, просто представьте, как тепло перемещается по воздуху. Оно переносится молекулами, которые постоянно сталкиваются между собой и рассеивают тепло во всех направлениях: вперед, вбок и даже назад. Эта фундаментальная неэффективность делает проводимость тепла относительно медленной (лучистое тепло, по сравнению, движется на скорости света в виде инфракрасного излучения). Та же медлительность сохраняется для тепла, которое движется через твердое тело. Здесь фононы (пакеты акустической вибрационной энергии) переносят тепло подобно молекулам в воздухе, позволяя ему рассеиваться во всех направлениях и медленно распадаться.

«Немного похоже на то, если поместить каплю пищевого красителя в воду и дать ему растечься, – говорит Кейт Нельсон, советник Дункана в MIT. – Оно движется не по прямой, как стрела, от места попадания».

Но именно такое следствие Дункан получил из эксперимента. Во втором звуке обратное рассеяние фононов сильно подавилось, в результате чего тепло выстрелило вперед. Движение волновое.

«Если вы находитесь в бассейне и запускаете от себя волну, она от вас уйдет. Но для тепла это ненормальное поведение».

Второй звук впервые был обнаружен в жидком гелии 75 лет назад и впоследствии еще в трех твердых телах.

«Все признаки указывали на то, что он будет ограничен небольшим количеством материалов и проявляться при очень низких температурах».

Ученые думали, что зашли в тупик. Не было понятно, чем еще может быть второй звук кроме научного утверждения, поэтому многие годы эта область была без новостей.

Однако значительные улучшения в численном моделировании помогли возродить эту область примерно пять лет назад, и ученые признали, что это явление может быть более распространенным. Ганг Чен, инженер из Массачусетского технологического института, например, смог предсказать, что второй звук может проявиться в графите при довольно мягких температурах. Это предсказание зарядило Дункана, который проверил его и, в конечном итоге, натолкнулся на противоречивые результаты.

Во-первых, Дункан отводил тепло в образец графита, используя два скрещенных лазерных луча для создания интерференционной картины — чередуя яркие и темные области, которые соответствуют гребням и впадинам встречных световых волн. Вначале гребни нагревали графит, а впадины оставались прохладными. Но как только Дункан должен был выключить лазеры, картина должна была начать медленно меняться, а тепло — перетекать из горячих гребней в холодные впадины.

Эксперимент достиг бы своего конца, когда весь образец достиг бы однородной температуры. По крайней мере, так обычно и происходит. Но когда лазеры перестали светиться, у графита были другие планы: тепло продолжало течь, пока горячие гребни не стали холоднее, чем впадины. Как будто варочная поверхность стала ледяной в тот момент, когда вы ее выключили, а не остыла постепенно до температуры окружающей среды.

«Это странно — тепло не должно так делать».

И уж точно не должно так делать при таких высоких температурах. Также эксперимент Дункана позволил установить предел высокой температуры, при которой проявляется второй звук: порядка 120 Кельвинов — более чем в 10 раз выше, чем в ходе предыдущих измерений.

Какие практические применения такие результаты нашли бы в будущем? Во-первых, манипуляции с температурой, а не с криогенным охлаждением, более практичны. Во-вторых, графит — вполне распространенный материал. Эти два свойства помогут инженерам преодолеть острую проблему управления теплом в микроэлектронике. Только представьте, что тепло будет рассеиваться со скоростью звука, позволяя материалам и устройствам остывать намного быстрее.

Для любознательных

Графит научился передавать тепло со скоростью звука. Это явление называют вторым звуком в твердых телах, и оно способно перевернуть наше представление об электронике.

Обычно тепло распространяется в материалах медленно и хаотично, как капли чернил в стакане воды. Этот процесс называют диффузией. Однако в определенных условиях тепловая энергия в графите начинает вести себя не как рассеивающийся туман, а как направленная звуковая волна. Переносчики тепла — фононы — движутся вместе, сохраняя импульс, и перемещаются со скоростью звука.

Ниже рассмотрены главные технологические перспективы этого феномена.

Прорыв в охлаждении микропроцессоров

Современная кремниевая электроника уперлась в «тепловой барьер». Процессоры выделяют колоссальное количество энергии, и традиционные кулеры не успевают отводить тепло от микроскопических транзисторов.

• Мгновенный теплоотвод. Графитовые радиаторы нового поколения смогут «выстреливать» излишками тепла наружу в виде направленных волн.
• Продление жизни кремния. Локальные точки перегрева (hot spots) на чипах исчезнут, так как тепловая волна рассеет их за наносекунды.
• Миниатюризация. Смартфоны и ноутбуки станут еще тоньше, избавившись от громоздких медных тепловых трубок.

Новая эра квантовых вычислений

Квантовые процессоры (кубиты) крайне чувствительны к любым температурным колебаниям. Тепловой шум разрушает хрупкие квантовые состояния, вызывая ошибки в вычислениях.

• Изоляция кубитов. Направленный тепловой поток позволит мгновенно уводить фононный шум от вычислительного ядра системы.
• Стабильность систем. Квантовые компьютеры смогут дольше удерживать состояние суперпозиции без дегередации данных.

Фононика вместо электроники

Эффект «второго звука» открывает путь к созданию совершенно нового класса устройств — фононных чипов. Вместо электронов информацией в них будут управлять звуковые тепловые волны.

• Тепловые транзисторы. Ученые смогут создавать логические элементы, которые переключаются за счет изменения направления тепловых импульсов.
• Диоды для тепла. Появятся материалы, пропускающие тепло только в одну сторону, что позволит буквально «запирать» или перенаправлять энергию по воле инженеров.

Космические технологии и энергетика

В глубоком космосе или внутри ядерных реакторов эффективное управление экстремальными температурами — вопрос выживания оборудования.

• Защита электроники. Бортовые компьютеры спутников получат защиту от жесткого циклического нагрева Солнцем.
• Термоэлектричество. Быстрый и направленный перенос тепла упростит его преобразование в полезную электроэнергию (эффект Зеебека), повышая КПД космических генераторов.

Главный вызов для ученых

До недавнего времени эффект второго звука фиксировали исключительно при сверхнизких температурах (близких к абсолютному нулю). Однако графит и его двумерная форма (графен) уникальны: в них волновой перенос тепла возможен при температурах около -170 °C, а в некоторых наноструктурах ученые уже подбираются к комнатной температуре.

Как только физики научатся стабильно удерживать «тепловой звук» в коммерчески доступных материалах при обычных условиях, мир получит не просто холодные процессоры, а фундаментально новые технологии управления энергией.