Согласно второму закону термодинамики, в замкнутых системах (без притока внешней энергии) тепло всегда самопроизвольно переходит от более нагретых тел к менее нагретым, а обратный процесс невозможен.
В обычных условиях тепло переносится фононами — квазичастицами, которые описывают колебания атомов в кристаллической решетке. Сталкиваясь друг с другом, фононы рассеиваются, и тепло распространяется медленно и беспорядочно. Но в чистых, бездефектных кристаллах ситуация меняется: фононы начинают вести себя не как хаотичный газ, а как вязкая жидкость, образуя направленные потоки. Это явление называют фононной гидродинамикой.
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) пошли дальше. С помощью передовых компьютерных симуляций и аналитических моделей они показали, что в упорядоченных материалах тепло может закручиваться в вихри и даже течь вспять — от холодного к горячему.
Ключ к разгадке феномена нашли в поведении теплового потока. В обычном материале, встречая препятствие или сужение, тепловой поток «сжимается», создавая область повышенной плотности энергии и перегрева. Но в режиме фононной гидродинамики, когда поток несжимаем, он не может сгуститься. Вместо этого он буквально «отражается» назад, создавая локальный обратный ток — из более холодной зоны в более теплую. Возникает парадоксальная ситуация: на коротком участке тепло течет против градиента температуры, что проявляется как отрицательное тепловое сопротивление. Выводы исследователей опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Раньше ученые полагались на численное моделирование, которое описывает картину температур, но не объясняет, как физические величины влияют друг на друга. Благодаря нашей аналитической модели мы показали, что обратный поток тепла максимален, когда поток почти несжимаем
Хотя экспериментальные свидетельства фононной гидродинамики известны еще с 1960-х годов, ученым не хватало фундаментальной теории, чтобы использовать этот эффект на практике. Новое открытие обещает потенциальный прорыв в охлаждении электронных устройств — от процессоров смартфонов и ноутбуков до терморегуляции центров обработки данных и систем хранения энергии.
Ранее Наука Mail рассказывала, что физики научились пропускать электроток через материалы без тепловых потерь.
