Цивилизация
Об этом совершенно новом подходе к теплу рассказывает статья физиков из Массачусетского технологического института (MIT), опубликованная в журнале Physical Review Letters.
Главный автор статьи, Мартин Мэлдовен, решил посмотреть на тепло как на поток квазичастиц — фононов. Квазичастица — это распространяющаяся в определенном направлении волна колебаний кристаллической решетки, которая ведет себя подобно частице, бегущей сквозь эту решетку и взаимодействующей с ее узлами. Но если звуковой фонон распространяется с частотой, измеряемой килогерцами, то частота теплового фонона лежит в диапазоне миллиардов герц. Есть и еще одно отличие: звук или электромагнитную волну можно послать в одном направлении, тепловые же фононы распространяются во всех направлениях сразу.
«Звук, как известно, может распространяться на сотни метров и даже на километры, — говорит Мэлдовен, — в то время как тепловой фонон может распространяться всего лишь на нанометры.
Вот почему мы не могли бы «слышать» тепло, даже если бы наши уши были способны воспринимать звуковые волны терагерцевых частот. К тому же звук может быть однотонным, то есть иметь определенную частоту, а тепловой фонон распространяется, имея широкий диапазон частот».
Чтобы манипулировать теплом так же, как манипулируют звуком или электромагнитными волнами, Мэлдовен решил сузить частотный диапазон тепловых фононов, одновременно снизив сами частоты. С этой целью он изготовил кремниевые сплавы с вкраплениями наночастиц германия; сетка этих наночастиц, по его расчетам, должна была снизить частоту тепловых фононов, что и произошло.
Далее Мэлдовен изготовил из этого материала структуру, состоящую из тонких пленок, наложенных друг на друга. На границах этих пленок часть фононов рассеивалась, выживали только фононы с узким «окном» частот.
В результате 40% оставшегося тепла, пройдя сквозь эти пленки, концентрировалось в сверхзвуковом диапазоне от 100 до 300 гигагерц.
Свои структуры Мэлдовен назвал «термокристаллами» по аналогии с фононными кристаллами — акустическими метаматериалами, которые способны управлять звуковыми волнами. Эти термокристаллы, считает исследователь, могут иметь массу самых неожиданных приложений. Например, с их помощью можно существенно усовершенствовать термоэлектрические устройства, переводящие разницу температур в электрический ток.
С помощью термокристаллов, утверждает Мэлдовен, можно транспортировать тепло в нужном направлении.
Можно также на их основе создавать тепловые диоды, которые пропускают тепло в одном направлении, а в обратном не пропускают. На их основе можно, например, создавать дома-термосы, сохраняющие тепло в местах с очень холодным климатом и не допускающие его внутрь дома в слишком жарких местах.
На основе термокристаллов можно также создавать тепловые линзы, концентрирующие тепло в малом объеме пространства, тепловые зеркала и т. д. Можно также использовать их для создания тепловых «плащей-невидимок» — наподобие тех, которые экранируют объекты от обнаружения в видимом свете или в микроволновом диапазоне.
Даже если это и не открытие нобелевского уровня, это, вне всяких сомнений, новый подход к управлению тепловыми потоками, пионерная работа, которая способна вызвать поток новых исследований, подобный тому, какой был вызван недавно возникновением графена.
Именно так расценили работу физиков MIT их коллеги, в частности Рама Венкатасубраманиан, научный руководитель научно-исследовательского института RTI International в штате Северная Каролина. Он назвал ее «интересным подходом к контролю над частотами фононного спектра при транспорте тепла в твердом теле, который необходимо развивать дальше».