エキゾチックペンシル：通常のグラファイトの2番目の音の検出

朝起きてオオハシを歌い、天気予報を見て同じ+28を見て、お気に入りのショーツを着て街中を散歩し、ごみ箱から厚かましい猿を追い払い、ヤシの路地に沿って散歩し、湖の前のベンチに座って、フラミンゴに餌を与え、準備を忘れないでください冬用に別のショーツを購入します。 誰かにとって、そのような日は珍しいことではありませんが、私たちにとって（私は大陸の気候地域の住民を意味します）、これは本当にエキゾチックです。 フラミンゴとオオハシは物理学と何の関係があるのですか？ そして、エキゾチックは物理学にとっても異質ではないという事実にもかかわらず、一般に受け入れられている基準とは何らかの形で異なるプロセス、物質、および現象に現れています。 今日は、これらの現象の1つ、つまり通常のグラファイトで見つかった2番目の音についてお話します。 科学者が発見したほどエキゾチックなものは何ですか？また、発見に対する彼らの熱意を共有すべきですか？ 答えはどこで、そして通常-いいえ、グーグルではなく、研究グループの報告書にあります。 行こう

理論的後退

2番目の音は、現象自体のかなりおかしい名前です。これは、音自体を間接的に参照するだけです（いわば、袖とわずかに接触しています）。 2番目の音は、通常の拡散ではなく、熱伝達が波のように進行する量子力学的現象です。 「音波」という言葉は、熱の波の伝播が音波の同様の伝播と類似しているため、このプロセスの名前に存在します。



音波は物質内の分子の密度の変動ですが、2番目の音の波はすでに粒子状の熱励起（フォノンとロトン* ）の密度の変動です。

ロトン*は、超流動⁴ He（ヘリウム4）の準粒子です。

2番目の音の初期の兆候は、物質のかなり小さなリストで、十分に低い温度で見つかりました。



^-2 He-4Heを2.1768 K未満に冷却することにより得られる液体（ 超流動* ）ヘリウム。



-1.2〜4.0 Kの温度での⁴ He、 ³ He、Bi（ビスマス）、および10〜20 Kの温度での凝集状態のNaF（フッ化ナトリウム）

超流動性*は、粘度がゼロの流体の特性であり、運動エネルギーを失うことなく流れることができます。 言い換えれば、絶対零度に近い温度のそのような物質（量子液体）は、摩擦なしで非常に狭い穴と毛細管を通過することができます。

しかし、科学者は他の物質の2番目の音を探すことを止めませんでした。 検索により結果が得られました-100 Kを超える温度で通常のグラファイトに2番目の音の兆候が見つかりました。



彼らの研究では、科学者はグラファイトの長さスケールが5〜20ミクロンの熱伝達の光学測定を使用しました。 観測結果は、以前に実行された計算と完全に匹敵し、理論的には、高温（室温まで）で〜1μmスケールの2番目の音の存在を示します。



研究者は、通常の非金属固体では、格子振動またはフォノン*によって熱が伝達されることを思い出させます* （光子と混同しないでください）。 温度が約10 Kの理想的な（実際の）結晶では、フォノンは散乱せずに微視的距離で伝播する可能性があり、これが弾道熱伝達につながります。

フォノン*は、結晶原子の振動運動の量子です。

室温では、フォノンとフォノンの散乱が高速であるため、フォノンの平均熱伝達長は非常に短く、したがって、巨視的距離にわたる拡散により熱が伝播します。



現象としての2番目の音は、弾道熱伝達と拡散熱伝達の間のどこかにあります。 この中間モードは、フォノン流体力学と呼ばれます。 このような状況では、通常のフォノン-フォノン散乱がはるかに頻繁に進行し、減少したフォノンの総運動量が保持され、 転送プロセス*が発生する可能性は低くなります。 伝達プロセス* -準粒子が結晶内で衝突し、運動量保存則が逆格子ベクトルまで実現される場合。ただし、通常の散乱だけでは熱流束を散乱させて格子を熱平衡状態に戻すことはできません。 代わりに、フォノン集団は、ガス中の分子の流れに匹敵するゼロでないドリフト速度を特徴とする「偏った」ボーズ・アインシュタイン分布に緩和します。 これにより、熱波（フォノン密度波）が音速よりも低い速度で伝播できます。

調査結果

実際の実験に備えて、科学者は計算を行い、以前に行われたいくつかの理論的予測に精通しました。 彼らは、通常の散乱とオーバーシュート（τN <t <τU）の間の時間間隔で2番目の音が発生することを発見しました。 理論的予測に従って、実験のナノ秒スケールがグラフェンについて確立されました。 そして、これは、熱伝達を決定するために従来の温度センサーを使用できないため、研究プロセスを複雑にします。 したがって、科学者は助けを求めてレーザーに目を向けました。 より正確には、2つの短い（各60 ps）レーザーパルスがサンプルの表面で交差する場合、遷移熱格子（ 1A ）の方法が使用されました。





イメージNo. 1



レーザーの「ハンドシェイク」は空間的に正弦波の熱源を形成し、その周期（ L ）は光学干渉のパターンによって決まります。



熱放射により、「熱格子」が形成されます-サンプルの表面に沿った空間的に正弦波の温度場（ΔT（t、z）cos（qx）、ここでq =2π/ Lは熱格子の波数ベクトルです）。 その後、熱伝達により、この熱格子は減衰します。 熱膨張により、表面変位の結合正弦波変調または「脈動」u（t）cos（qx）が作成され、レーザー放射の遷移回折格子として機能します。 したがって、熱伝達による熱グレーティングの減衰（減衰）は、連続波プローブレーザーの時間依存回折によって制御されます。 回折ビームは、光ヘテロダイン検出用の同じ光源からの参照ビームに重畳されます。



高度に配向した熱分解グラファイトは、この研究の主役、つまりサンプルでした。 サンプルは、粒径が約10μmの多結晶で、すべての粒子の軸の位置はサンプル自体の表面に垂直でした。



最初に、サンプルで515 nmの光を使用して、約30 nmの光学表皮深さで初期熱格子を作成しました。 熱伝達プロセスは、ヒートグリッドの表面に沿った（平面内）と表面に垂直な（横断面）の2つの方向に進みました。 グラファイトの横断面での熱伝達は、面での伝達の約300倍弱かった。 したがって、横断面の熱拡散の深さは、熱格子の位置よりもはるかに小さくなります。



熱の拡散（τ= L ² /4π2⍺）に従って、1次元媒体では、遷移熱格子は指数関数的に減衰します。 この声明は実際に確認されました：300 Kの温度で、指数関数的減衰（ 1B ）の兆候が検出されました。 37.5μmに等しいL （格子周期）で、11 cm ² / sの熱拡散率が得られました。



格子周期が短くなると、上記の熱拡散式は一定のvalue（熱拡散率）に対応しなくなります。 格子周期が短いほど、遷移熱格子の減衰/減衰が遅くなります（ 1C ）。 そして、これは熱伝達の拡散モデルの予測とは異なります。





イメージNo. 2



グラフ2Aは、温度が85 Kに下がると大きな変化を示します。300Kの温度では、信号は単調に減衰しますが、85 Kでは、信号がゼロ以下に下がると減衰振動が発生します。 ヘテロダイン検出の場合、遷移熱格子信号の符号の変化は、格子の空間位相がπだけシフトしたことを意味します。 言い換えると、表面変位の極大値と極小値の位置（温度を含む）が逆になります。 そして、遷移熱格子のこの挙動は、熱定在波*に匹敵します。

定在波* -空間の最大値と最小値の振幅が交互になり、安定した分散振動システムの波動プロセス。

拡散バージョンでは、熱伝達は高温領域から低温領域へと発生し、最大値と最小値を交換することはできません。 つまり、この観測は熱の波動伝播の際立った特徴です。



グラフ2Aの挿入図は、格子周期が増加すると、波のようなダイナミクスの周波数が減少することを示しています。 観測された線形関係は、3200 m / sの速度を示しています。 多くの場合、過渡的な熱格子信号には表面音響波による振動が含まれる可能性がありますが、その速度ははるかに遅いため、これは重要な観察です。 弾性表面波の速度が約1480 m / sであり、これが遅い横速度に近いとすると、速い横速度は14700 m / sであり、縦速度はさらに大きくなります。 音響波がある場合、背景温度または格子周期が増加しても消えないことも注目に値します。



このようなダイナミクスをシミュレートするために、科学者は、1次元遷移熱格子内の完全な3フォノン散乱行列を持つ線形化ボルツマン輸送方程式を使用しました。 以前は、グラフェンとグラファイトの熱伝導率を決定するために、同様の方法が使用されていました。 ただし、この手法はある程度制限されており、非定常および不均一なボルツマン輸送の周波数グリーン関数を計算する方法を説明した新しい研究用でない場合は適用できませんでした。 図2Bは、これらのグリーン関数を正確に示しており、これらの関数は、調和平面波の形でのフォノン集団の熱源への反応を示しています。



科学者が上記の方法を考慮して行った計算により、熱格子の振幅の時間依存性を理解することができました。 温度300 Kおよびさまざまな格子周期での計算により、遷移熱格子の指数関数的な減衰が示されました。これは、実験（ 1C ）と完全に一致しています。 85 Kの温度で、周波数グリーンの関数は共振ピーク（ 2B ）を与えます。これは、2番目の音の特徴であり、振動の減衰（ 2C ）につながります。 計算されたすべてのデータは、実験データと完全に匹敵します。過渡的な熱格子の大周期での2番目の音の消失という事実ですらあります。



計算により、2番目の音の速度（ 2Cでの周波数共鳴のピークの位置を考慮に入れる）は3650 m / sであることが示されました。 このようなインジケータは、グラファイトを、2番目の音が検出された他の多くの材料と区別します。 それらでは、2番目の音の速度はフォノンの最低速度よりも遅かった。 グラファイトはまた、低速の横音響モードの速度が非常に遅いという点で驚くべきものです。 そして、このモードの印象的な非調和性と状態密度は、強い正常散乱をもたらし、フォノンの流体力学的伝達の条件を作り出します。





イメージNo. 3



上記のグラフ（ No. 3 ）は、10μmの一定周期と異なる温度での遷移熱格子のデータを表示しています。 振動挙動は104 Kでも125 Kでも観察されましたが、温度が150 Kに達すると完全に消えます。 温度が50 Kを下回ると、同じことが起こります。



グラフは、フォノン散乱率がゼロに設定された場合の弾道モードでの50 Kでのシミュレートされた応答も示しています。 そして、ここでは、弾道モードでの応答の失敗が消えることは明らかです。 つまり、温度50 Kでの2番目の音の消失は、弾道モードへの移行中に予想されるものに対応します。





イメージNo.4



データをモデル化すると、50〜250 Kの温度範囲で2番目の音の出現が予想されることが示されました。温度が高くなると、熱伝達長が短くなります。 2番目の音は最大250 Kまで観測されます。



低温で格子周期が短い場合、フォノン散乱は消滅し、熱伝達は弾道になります。 高温で長時間の場合、熱伝達はゆっくりと「準拡散」モードに移行します。



グラファイトも同位体の点で優れていた。 つまり、以前は、同位体的に純粋な固体でのみ2番目の音が観察されていました（無視した場合、科学者によると、SrTiO _3の観察は考慮され_ていません）。 しかし、実験で使用したグラファイトは同位体的に純粋ではなく、この物質のフォノン流体力学のユニークな性質を示しています。



研究のニュアンス、詳細、方法論、および計算の詳細については、 科学者のレポートと追加資料を参照することを強くお勧めします。

エピローグ

エキゾチックな現象や特性は、最も一般的で目立たないオブジェクトに隠されている場合があります。 この研究はこれの確認でした。 エキゾチックな現象である2番目の音は、以前は非常に「奇妙な」物質と非常に極端な条件下でのみ観察されていました。



科学者は、フォノンの流体力学の一般的な研究に彼らの研究が重要であると考えています。 このようなことを理解することで、マイクロエレクトロニクスの放熱材料としてグラファイトとグラフェンを使用できるようになります。 科学者はまた、彼らの研究がマイクロおよびナノスケールの輸送プロセスの操作と制御の研究を加速すると信じています。



私たちは私たちの周りのことについて多くを知っていますが、同時に、そのような研究は別のことを示唆しています。 この知識に制限はありますか？ 科学者の好奇心と熱意がある限り-いいえ。



ご静聴ありがとうございました。好奇心を保ち、良い週をお過ごしください。



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