音のように移動する熱の秘密

・室温でグラファイトを通過するとき、熱は音のようになります。

・これは、私たちが日常の環境で見ているものとはまったく異なる動きです。

・このような材料は、マイクロエレクトロニクスの熱管理や熱電エネルギー変換に役立つ可能性があります。

通常、熱は結晶内を拡散しながら移動します。熱は主にフォノンと呼ばれる格子振動によって運ばれます。 10 K未満の温度のほぼ完全結晶では、フォノンは散乱することなく長距離を移動し、弾道熱輸送をもたらします。

ただし、室温では、フォノン間の散乱率が高く、拡散によって目に見えるレベルで熱が散乱するため、熱を運ぶフォノンの平均自由行程は比較的小さくなります。

簡単な例を考えてみましょう。やかんを沸騰させてしばらくしてから火を止めると、熱くなり、周囲を徐々に暖めるのではなく、やかんの温度が急速に室温に下がり、沸騰した熱が放散されます。 しかし、ほとんどの場合、熱はこのようには機能しません。

第二音波

熱が従来の拡散メカニズムによって伝達されるのではなく、波のような動きで伝わる量子力学的現象、つまり第二音波が存在します。 これにより、高い熱伝導率が得られます。

熱は、音が空気中を伝わるのと同じように伝わり、この現象は第二音波と呼ばれます。 これは、超流動や一部の誘電体結晶など、フォノン間の衝突が運動量を保存するシステムで観られます。 主に極低温で発生します。

しかし現在、MITの研究チームは、120 Kを超える温度で、かなり自然に発生する結晶性炭素の形態であるグラファイト（最も一般的には鉛筆の鉛に見られる）でこの現象を観察しました。

画像提供: Christine Daniloff / MIT

グラファイトサンプル内のフォノンの動きをシミュレートするための複雑なモデルを構築しました。 フォノンごとに、エネルギーと方向に基づいて、他のフォノンとの間で発生する可能性のあるすべての散乱を追跡しました。

50Kから300Kまでの広い温度範囲でこのモデルをテストし、80Kから120Kの温度で熱が波のように移動する可能性があることを発見しました。

実験

チームは、10mm²のグラファイトのサンプルを使用して実験を行いました。 過渡熱格子と言われる方法を使用して、サンプル上で2つのレーザービームを交差させました。 ビームからの干渉により、サンプルの表面にリップルパターンが作成されました。

波紋の山に対応するグラファイトの部分は加熱されましたが、波紋の谷の領域は冷却されたままでした。 山と谷の差は、約10ミクロンでした。

次に、別のレーザービームを使用して、山と谷の間の温度差を測定しました。これにより、最終的に、サンプル全体の熱の流れを経時的に追えるようになりました。

研究者は、120 Kで奇妙な動きを観察しました。山は谷と同じレベルまでゆっくりと減衰するのではなく、谷よりも冷たくなります。 波パターンは反転していました。つまり、熱が一定期間、冷たい領域から暖かい領域に流れていたという事です。

これは、私たちが日常の環境で見ているものとはまったく異なる動きです。 このような材料は、マイクロエレクトロニクスの熱管理や、ナノ構造材料の効率向上に役立つ熱電エネルギー変換に使える可能性があります。

グラファイトの単一原子面であるグラフェンも、さらに高温で第二音波の特性を示す場合があります。 研究者は、この炭素の結晶同素体をテストすることを計画しており、これが当てはまる場合は、グラフェンを使用して、より高密度の超小型電子機器を冷却することができます。