MWC 2018
2018
Computex
IFA 2018
Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны EPFL теоретически показали, что в высокоупорядоченных и очень чистых кристаллах тепло может вести себя подобно жидкости. Вместо привычного рассеивания тепла от горячего к холодному, в чистых кристаллах возникает направленный поток с вихрями и даже обратным течением тепла. Это условно как обхватить ладонями чашку с горячим чаем и начать замерзать. Невероятно? Только не для квантовой механики.
Источник изображения: EPFL
В принципе, учёные ещё 60 лет назад пришли к заключению, что в рамках квантовой механики тепло может вести себя как жидкость, точнее, может быть представлено в виде фононной гидродинамики. Фононы — это квазичастицы, переносящие тепло. Это кванты энергии согласованного колебательного движения атомов твёрдого тела, образующих идеальную кристаллическую решётку.
Согласно второму закону термодинамики, колебания распространяются от более горячих (с большей энергией) к более холодным атомам. Учёные показали, что в определённых условиях фононы образуют направленный поток с завихрениями и даже обратным течением тепла. Это означает, что тепло способно двигаться из более холодных областей в более тёплые, создавая отрицательный перепад температуры и отрицательное тепловое сопротивление. И такое поведение не противоречит второму закону термодинамики, поскольку общая энтропия системы продолжает расти.
Явление объясняется тем, что в чистых кристаллах столкновения фононов сохраняют импульс, позволяя теплу течь коллективно, как несжимаемая жидкость. Исследователи разложили гидродинамическое уравнение на ключевые элементы поведения потока, показав, что обратный поток максимально усиливается именно при почти несжимаемом режиме: поток не «сдаётся» сопротивлению, а перенаправляется вспять, формируя вихри. Теоретическая модель и численные симуляции на двумерной полоске кристаллического графита подтвердили возможность такого эффекта и дали аналитический инструмент для его количественного описания и оптимизации.
Эта работа впервые дала полное аналитическое объяснение физики обратного теплового потока. Ранее подобные эффекты наблюдались только в численных расчётах, но новая формулировка раскрывает, как именно вихревые структуры и минимальная сжимаемость приводят к отрицательному сопротивлению. Это открывает путь к целенаправленному проектированию материалов и устройств, где тепло можно активно «перекачивать» в нужном направлении.
Практическое значение открытия огромно: эффективное управление теплом критично для современной электроники, где перегрев ограничивает производительность чипов, батарей и компонентов дата-центров. Гидродинамический обратный поток может использоваться для предотвращения локального перегрева (например, отвода тепла от аккумулятора смартфона), снижения энергопотерь и повышения КПД систем. Модель применима не только к фононам, но и к другим носителям (электронам, экситонам), что делает её универсальным инструментом для будущих технологий теплового регулирования в наноэлектронике и энергетике.
Источник:
