Вчені довели, що тепло може текти як вода

Вчені з Федеральної політехнічної школи Лозанни EPFL теоретично продемонстрували, що в високоорганізованих і дуже чистих кристалах тепло може поводитися подібно до рідини. Замість звичного розсіювання тепла від гарячого до холодного, у чистих кристалах виникає спрямований потік з вихрями і навіть зворотним течією тепла. Це умовно можна порівняти з тим, як обхопити долонями чашку з гарячим чаєм і почати замерзати. Неймовірно? Лише не для квантової механіки.

Джерело зображення: EPFL

В принципі, вчені ще 60 років тому дійшли висновку, що в рамках квантової механіки тепло може поводитися як рідина, точніше, може бути представлене у вигляді фононної гідродинаміки. Фонони — це квазічастинки, які переносять тепло. Це кванти енергії узгодженого коливального руху атомів твердого тіла, що формують ідеальну кристалічну решітку.

Згідно з другим законом термодинаміки, коливання поширюються від більш гарячих (з більшою енергією) до більш холодних атомів. Вчені показали, що за певних умов фонони формують спрямований потік з завихреннями і навіть зворотним течією тепла. Це означає, що тепло здатне рухатися з більш холодних областей у більш теплі, створюючи негативний перепад температури та негативний тепловий опір. І таке поводження не суперечить другому закону термодинаміки, оскільки загальна ентропія системи продовжує зростати.

Явище пояснюється тим, що в чистих кристалах зіткнення фононів зберігають імпульс, дозволяючи теплу текти колективно, як несжимаема рідина. Дослідники розклали гідродинамічне рівняння на ключові елементи поведінки потоку, показавши, що зворотний потік максимально посилюється саме в режимі майже несжимаемості: потік не «здається» опору, а перенаправляється назад, формуючи вихри. Теоретична модель і числові симуляції на двомірній смужці кристалічного графіту підтвердили можливість такого ефекту і надали аналітичний інструмент для його кількісного опису та оптимізації.

Ця робота вперше надала повне аналітичне пояснення фізики зворотного теплового потоку. Раніше подібні ефекти спостерігалися лише в числових розрахунках, але нова формулювання розкриває, як саме вихреві структури і мінімальна сжимаємість призводять до негативного опору. Це відкриває шлях до цілеспрямованого проектування матеріалів і пристроїв, де тепло можна активно «перекачувати» в потрібному напрямку.

Практичне значення відкриття величезне: ефективне управління теплом критично важливе для сучасної електроніки, де перегрів обмежує продуктивність чіпів, батарей і компонентів дата-центрів. Гідродинамічний зворотний потік може використовуватися для запобігання локальному перегріву (наприклад, відведення тепла від акумулятора смартфона), зниження енергетичних втрат і підвищення ККД систем. Модель застосовна не лише до фононів, але й до інших носіїв (електронів, екситонів), що робить її універсальним інструментом для майбутніх технологій теплового регулювання в наноелектроніці та енергетиці.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки