یک پدیده نادر که فقط در تعداد کمی از مواد در دمایی بسیار بالا یافت میشود،در گرافیت “گرم” یافت شده است. یافته ای که میتواند به میکرو الکترونیک های آینده کمک کند.
رایان دانکن حیرت زده شد.او به تازگی یک ازمایش را روی گرافیت معمولی انجام میداد( همان ماده مغز مداد های معمولی)اما نتایجی که به دست آورد از نظر فیزیکی غیر ممکن بود : گرما که به طور معمول به آهستگی پراکنده میشود به سرعت زیاد –در حد سرعت صوت – از گرافیت عبور کرده بود.این اتفاق شبیه این است که شما یک ظرف آب روی اجاق بگذارید و به جای این که دقایقی صبر کنید که به اهستگی به دمای جوش برسد ، در لحظه شروع به جوشیدن کند!
تعجبی نداشت که دانکن که دانش آموخته موسسه تکنولوژی ماساچوست بود نمیتوانست آنچه دیده بود باور کند.برای این که مطمین شود اشتباهی مرتکب نشده چهار بار کل تجهیزات استفاده شده در آزمایش را بررسی کرد و دوباره آزمایش را تکرار کرد.و برای این که مطمین شود در نتیجه گیری اشتباهی نکرده به ذهنش کمی استراحت داد.
دانکن: من یادم میاد که سعی کردم کمی بخوابم . با وجود این که میدانستم نمیتوانم تا چند ساعت آینده بگویم که نتیجه آزمایش موفقیت آمیز بوده یا خیر.ولی ذهنم در گیر آزمایش بود و خوابیدن سخت بود.
زمانی که صبح روز بعد ساعت زنگدار دانکن به صدا درآمد ، او با همان لباس های راحتی به سمت کامپیوترش دوید و دید که محاسبات جدیدتر همان نتیجه را نشان میدهند: گرما با سرعت باور نکردنی حرکت کرده بود…
دانکن و همکارانش نتیجکارشان را هفته گذشته در ژورنال ساینس منتشر کردند.
این پدیده که با نام “صدای ثانی ” شناخته شده است باعث نوعی سرخوشی فیزیکدان ها شده است بخشی به این علت که این پدیده میتواند باعث هموار تر شدن راه برای رسیدن به سرعت های بالا در ارتباطات میکرو الکترونیک شود و بیشتر به این علت که این به طرز باور نکردنی عجیب است.
برای این که علت ماجرا را خوب متوجه شوید، فقط به این فکر کنید که چه اندازه گرما از طریق هوا میتواند منتقل شود.این از طریق مولکول هایی که به هم برخورد میکنند و به اطراف پخش میشوند و در نتیجه گرما را در جهات مختلف پخش میکنند. به سمت جلو ،اطراف حتی به سمت عقب.
ناکارامدی بنیادین باعث میشود که گرمای تولیدی بسیار کمتر از حد اولیه بتواند رسانش یابد.در مقایسه با آن گرمای تابشی میتواند با سرعت نور به عنوان پرتو های مادون قرمز حرکت کند.همین کندی باعث میشود گرما از درون جامدات حرکت کند. در این صورت ،فونون ها(بسته های انرژی ارتعاشی اکوستیک)گرما را بسیار شبیه به مولکول های هوا منتقل میکنند، و اجازه میدهد به آرامی و در همه جهات منتشر شود. کیث نلسون _مشاور دانکن در ام ای تی_ می گوید:این اتفاق کمی شبیه این است که شما یک قطره از رنگ غذا را در ظرفی بریزید و آن در همه جهات پخش شود.این روی یک خط مستقیم حرکت نمیکند. ولی در واقع این همان نتیجه ای بود که دانکن انتظار داشت ببیند.
در پدیده صدای ثانی فونون های به عقب برگشته به شدت سرکوب میشود و در نتیجه بقیه پرتو ها با قدرت به سمت جلو شلیک میشود.
این همان طرز رفتار موجی هست که یک متحرک از خود بروز میدهد. اگر شما در یک استخر باشید ، و اگر یک موج تولید کنید دقیقا از نقطه ی تولیدی شروع به حرکت خواهد کرد اما این رفتار برای گرما عجیب بود…
و در بیشتر موارد هم گرما این طور رفتار نمیکند.پدیده صدای ثانی برای اولین بار حدود ۷۵ سال پیش در هلیوم مایع کشف شد.بعد ها در ۳ جامد دیگر نیز کشف شد.
نلسون میگوید:همه نشانه های اولیه این رامیگفت که این پدیده فقط در مواد خاص آن هم فقط در دما های خیلی پایین قابل مشاهده است.
به این ترتیب دانشمندان فکر میکردند که به نتیجه درست رسیده اند.
نیکولا مارزاری –یک دانشمند مواد در موسسه تکنولوژی فدرال سوییس میگوید:
این خیلی واضح نبود که این پدیده صدای ثانی میتواند ورای یک یافته علمی باشد. پس تعجبی نداشت که این سالها مسکوت بماند.
در این پژوهش نیکولا دخالتی نداشت.
اما پیشرفت های چشمگیر در زمینه شبیه سازی های عددی دوباره این فرصت را برای دانشمندان فراهم کرد که کار را دوباره شروع کنند.
گنگ چن ،یک مهندس در ام ای تی،میتوانست پیش بینی کند که پدیده صدای ثانی میتوانست قابل دیدن باشد درصورتی که در گرافیت در دما های گرم( نه خیلی داغ).این پیش بینی باعث شد دانکن بقیه کار های در حال انجامش را کناری نهد و تصمیم به آزمایش این پیش بینی بگیرد و البته که نتیجه بسیار متناقض بود..
ابتدا دانکن با استفاده از دو پرتو لیزر متقاطع به نمونه گرافیت گرما داد و یک الگوی گرمادهی تداخلی ایجاد کرد که به صورت متناوب دارای مناطق تاریک و روشن مطابق با دره ها و قله های موج تشکیل شده بود.
در آغاز کار هلال های در قله گرافیت را گرم میکردند در حالیکه فرو رفتگی ها خنک بودند. ولی به هنگامی که دانکن لیزر ها را خاموش کرد ،با جاری شدن گرما از قله های گرم به فرو رفتگی های سرد،این الگوی دمایی به آهستگی تغییر میکند.آزمایش بد از رسیدن کل نمونه ی گرافیت به یک دمای مشخص پایان می یابد.یا حداقل این اتفاقی است که به طور معمول رخ میدهد.
ولی زمانی که لیزر ها خاموش شدند، گرافیت برنامه جدیدی داشت(یعنی اتفاقات جدیدی درئن گرافیت در حال وقوع بود)، هم چنان به جاری ساختن گرما ادامه میداد تا زمانی که قله ها از دره ها سرد تر شوند!! این تقریبا شبیه این است که بالای یک اجاق به محض خاموش شدن به اندازه یخچال سرد شود به جای این که به آرامی شروع به خنک شدن کرده باشد.
نلسون می گفت: این عجیبه !گرما نباید این طوری رفتار میکرد.
مرزاری : و قطعا قرار نبود در درجه حرارت های بالایی هم چنین اتفاقی تکرار شود.
مارزاری که که تقریبا همزمان با چن این پدیده را پیش بینی کرده بود ، از این رو با اطمینان نسبت به اثبات آن سخن میگفت. با وجود این که او راجع به دما های بالا با این قطعیت نظر نمیداد.
مارزاری میگوید : اگر شما از من میخواستید که سر وام خود شرط ببندم که این آزمایش نتیجه دلخواه مرا خواهد داد این کار را انجام میدادم( تا این حد به گفته هایم مطمين بودم)
ولی سوال این جا بود که این اتفاق همیشه در دمای ۱۰۰ کلوین خواهد افتاد؟ یا بیست کلوین یا یک دهم کلوین؟
آزمایش دانکن نشان داد که این اثر در ۱۲۰ کلوین اتفاق میافتد ( بیشتر از از ده ها برابر اندازه گیری های قبلی)
هیچ کس فکر نمی کرد این کار در چنین دمای بالایی ممکن باشد
هم چنین این کار پیش بینی میکند که در آینده ممکن است این پدیده یک کاربرد عملی پیدا کند.هم به علت این که دما خیلی راحت تر قابل دست رس است( مقایسه کنید ۱۲۰ کلوین را با دمای یک دهم کلوین در آزمایش های قبلی) و هم این که مواد بسیار معمولی تری ( مقایسه کنید گرافیت را را با هلیوم مایع)استفاده میشود.که این ممکن است به مهندسین کمک کند که به چالش هایی از قبیل مدیریت گرما در صنایع میکرو الکترونیک پاسخ دهند.
به مهندسین کمک خواهد کرد که میکرو الکترونیک های کوچکتر و با بازدهی بیشتر بسازند.
با توجه به همه اینها ،نایارانامورتی ( کسی که روی پدیده صدای ثانی در آزمایشگاه های در ای تی و تی بل طی سالهای ۱۹۶۸تا ۱۹۸۷) گمان میکند که این زمینه دوباره شکوفا خواهد شد.
نایارامورتی: اگر من هنوز ر ازمایشگاه های بل کار میکردم، حتما تعدادی را به پژوهش روی این ازمایش ها میگماشتم چون این پدیده در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده موضوع مهم بحث خواهد بود.
