太神奇了：在鉛筆芯中觀察到奇異的「第二聲」現象！

下次你把水壺燒開的時候，設想一下這樣的情景：關掉爐子後，水壺不是保持熱度，慢慢地加熱周圍的廚房和爐子，而是迅速冷卻到室溫，它的熱量以滾燙的波形式迅速散去。我們知道熱量在日常生活中並不是這樣的。但是現在，麻省理工學院研究人員在一種相當普通的材料中發現了這種看似不可信的熱傳遞模式，即所謂的「第二聲」。在120開爾文(-240華氏度)的溫度下，研究人員發現了清晰的跡象，表明熱量可以以波狀運動穿過石墨。當熱量以接近音速的速度穿過物質時，原本是熱的點會瞬間變冷。

博科園-科學科普：這種行為類似於聲音在空氣中傳播的波狀方式，因此科學家們將這種奇特的熱傳輸模式稱為「第二聲」。這一新結果代表了科學家觀測到第二種聲音的最高溫度。更重要的是，石墨是一種商業上可用的材料，相比之下，更純凈、更難控制的材料在20k(-420華氏度)的溫度下會發出第二聲，這種溫度會冷到無法進行任何實際應用。發表在《科學》期刊上的這一發現表明，石墨，或許還有它的高性能相關材料石墨烯，可能以一種此前未被認識到的方式，有效地去除微電子設備中的熱量。麻省理工學院(MIT)哈斯拉姆(Haslam)和杜威(Dewey)化學教授基思?尼爾森(Keith Nelson)表示：

圖片：CC0 Public Domain

在我們的電腦和電子產品等設備上，有一股巨大的推動力，要把東西做得更小、更密集，而在這種規模下，熱管理變得更加困難；我們有充分的理由相信，在石墨烯中，即使在室溫下，「第二聲」也可能更明顯。如果事實證明石墨烯能夠有效地以波的形式去除熱量，那當然是非常棒的。這一結果來自尼爾森的研究小組與機械工程和動力工程教授陳剛(Gang Chen)的跨學科長期合作。本文共同作者是麻省理工學院的Sam Huberman和Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding和Alexei Maznev。

通常情況下，熱以擴散的方式通過晶體，由聲子或聲波振動能量包攜帶。任何晶體微觀結構都是由原子構成的晶格，當熱量通過材料時，晶格會發生振動。這些晶格振動，也就是聲子，最終把熱量帶走，從熱源中擴散出去，儘管熱源仍然是最溫暖的區域，就像爐子上的水壺逐漸冷卻一樣。水壺仍然是最溫暖的地方，因為隨著熱量被空氣中的分子帶走，這些分子不斷地向各個方向分散，包括回到水壺。這種「後向散射」也發生在聲子上，即使熱量散去，也能使固體的原始受熱區域保持溫度最高的位置。

然而，在表現出第二聲的材料中，這種後向散射受到嚴重抑制。相反，聲子會保持動量，並一起疾馳而去，而儲存在聲子中的熱量會以波的形式傳遞。因此，最初被加熱的點幾乎立即冷卻，接近音速。研究團隊之前的理論工作表明，在一定溫度範圍內，石墨烯中的聲子可能主要以動量守恆的方式相互作用，這表明石墨烯可能呈現「第二聲」。去年，實驗室的一名成員胡伯曼很好奇，對於石墨等更普通的材料來說，情況是否也是如此。

在團隊之前開發的石墨烯工具基礎上，他開發了一個複雜模型來數值模擬石墨樣品中聲子的輸運。對於每一個聲子，都根據它們的方向和能量，跟蹤每一個可能與其他聲子一起發生的散射事件。在50 K到室溫的溫度範圍內進行了模擬，發現在80到120 K的溫度下，熱量可能以類似於第二聲的方式流動。休伯曼一直在與納爾遜所在小組的鄧肯合作另一個項目。當他和鄧肯分享他的預測時，實驗人員決定對休伯曼的計算進行測試。這是一次了不起的合作，瑞安在很短的時間內放棄了一切來做這個實驗。

顛覆常規

實驗以一個10平方毫米的小型商用石墨樣品為中心。利用一種叫做瞬態熱光柵的技術，他將兩束激光束交叉，使它們的光干涉在一小塊石墨表面產生「波紋」圖案。紋波波峰下的樣品區域被加熱了，而與紋波波谷相對應的區域則沒有加熱。波峰之間的距離約為10微米。然後將第三束激光照射到樣品上，這束激光被波紋衍射，它的信號被一個光電探測器測量。這個信號與波紋圖案的高度成正比，波紋圖案的高度取決于波峰比波谷熱多少。

這樣就可以追蹤熱量是如何隨著時間的推移流過樣品。如果熱量在樣品中正常流動，會看到表面的波紋隨著熱量從波峰轉移到波谷而慢慢減小，波紋圖案也隨之消失。相反，他在120K時觀察到「完全不同的行為」。在冷卻過程中，波峰並沒有逐漸衰減到與波谷相同的水平，相反，波峰實際上變得比波谷更冷，因此波紋圖案是相反的——這意味著在某些時候，熱量實際上從較冷的區域流向較熱區域。

這完全違背了日常經驗，也違背了幾乎所有材料在任何溫度下的熱傳導。這真的很像「第二聲」。根據休伯曼的預測，石墨的二維相對結構——石墨烯，在接近或超過室溫的更高溫度下，也可能表現出第二聲的特性。尼爾森說：這是我關注的少數研究亮點之一，在這些亮點中，結果真的顛覆了通常的思考方式。更令人興奮的是，根據它的發展方向，未來可能會有有趣的應用。從最基本角度來看，這是毫無疑問的，這是非常不尋常和令人興奮的。

博科園-科學科普｜研究/來自: 麻省理工學院

參考期刊文獻:《科學》

DOI: 10.1126/science.aav3548

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