Райан Дункан застыл. Только что он провел новый эксперимент по исследованию обычного графита — того самого, их стержня карандаша — но результаты казались невозможными физически: тепло, которое обычно рассеивается медленно, проходило через графит со скоростью звука. Это все равно что поставить кастрюлю с водой на горячую плиту и вместо того, чтобы отсчитывать долгие минуты, пока вода не закипит, наблюдать, как она сразу же закипает.

С какой скоростью распространяется тепло?

Неудивительно, что Дункан, аспирант Массачусетского технологического института, не мог поверить своим глазам. Чтобы убедиться, что он не ошибся, пришлось четыре раза перепроверить все, что было в установке, снова запустить эксперимент и устроить хороший перерыв.

«Я попытался поспать, зная, что не смогу определить, был ли эксперимент успешным или нет, еще несколько часов, но отключиться было довольно трудно», – вспоминает он.

Когда на следующее утро будильник Дункана зазвенел, он прямо в пижаме побежал к компьютеру и просмотрел новые измерения. Результаты был все тем же: тепло двигалось невероятно быстро.

Результаты своей работы Дункан опубликовал в журнале Science. Это явление, известное как «второй звук», приводит физиков в восторг — отчасти потому, что может проложить путь к продвинутой микроэлектронике, и отчасти потому, что это очень странное явление.

Чтобы понять, просто представьте, как тепло перемещается по воздуху. Оно переносится молекулами, которые постоянно сталкиваются между собой и рассеивают тепло во всех направлениях: вперед, вбок и даже назад. Эта фундаментальная неэффективность делает проводимость тепла относительно медленной (лучистое тепло, по сравнению, движется на скорости света в виде инфракрасного излучения). Та же медлительность сохраняется для тепла, которое движется через твердое тело. Здесь фононы (пакеты акустической вибрационной энергии) переносят тепло подобно молекулам в воздухе, позволяя ему рассеиваться во всех направлениях и медленно распадаться.

«Немного похоже на то, если поместить каплю пищевого красителя в воду и дать ему растечься, – говорит Кейт Нельсон, советник Дункана в MIT. – Оно движется не по прямой, как стрела, от места попадания».

Но именно такое следствие Дункан получил из эксперимента. Во втором звуке обратное рассеяние фононов сильно подавилось, в результате чего тепло выстрелило вперед. Движение волновое.

«Если вы находитесь в бассейне и запускаете от себя волну, она от вас уйдет. Но для тепла это ненормальное поведение».

Второй звук впервые был обнаружен в жидком гелии 75 лет назад и впоследствии еще в трех твердых телах.

«Все признаки указывали на то, что он будет ограничен небольшим количеством материалов и проявляться при очень низких температурах».

Ученые думали, что зашли в тупик. Не было понятно, чем еще может быть второй звук кроме научного утверждения, поэтому многие годы эта область была без новостей.

Однако значительные улучшения в численном моделировании помогли возродить эту область примерно пять лет назад, и ученые признали, что это явление может быть более распространенным. Ганг Чен, инженер из Массачусетского технологического института, например, смог предсказать, что второй звук может проявиться в графите при довольно мягких температурах. Это предсказание зарядило Дункана, который проверил его и, в конечном итоге, натолкнулся на противоречивые результаты.

Во-первых, Дункан отводил тепло в образец графита, используя два скрещенных лазерных луча для создания интерференционной картины — чередуя яркие и темные области, которые соответствуют гребням и впадинам встречных световых волн. Вначале гребни нагревали графит, а впадины оставались прохладными. Но как только Дункан должен был выключить лазеры, картина должна была начать медленно меняться, а тепло — перетекать из горячих гребней в холодные впадины.

Эксперимент достиг бы своего конца, когда весь образец достиг бы однородной температуры. По крайней мере, так обычно и происходит. Но когда лазеры перестали светиться, у графита были другие планы: тепло продолжало течь, пока горячие гребни не стали холоднее, чем впадины. Как будто варочная поверхность стала ледяной в тот момент, когда вы ее выключили, а не остыла постепенно до температуры окружающей среды.

«Это странно — тепло не должно так делать».

И уж точно не должно так делать при таких высоких температурах. Также эксперимент Дункана позволил установить предел высокой температуры, при которой проявляется второй звук: порядка 120 Кельвинов — более чем в 10 раз выше, чем в ходе предыдущих измерений.

Какие практические применения такие результаты нашли бы в будущем? Во-первых, манипуляции с температурой, а не с криогенным охлаждением, более практичны. Во-вторых, графит — вполне распространенный материал. Эти два свойства помогут инженерам преодолеть острую проблему управления теплом в микроэлектронике. Только представьте, что тепло будет рассеиваться со скоростью звука, позволяя материалам и устройствам остывать намного быстрее.