Учёные показали, что тепло может протекать подобно воде – открывая новые пути для охлаждения микрочипов и прочего.

Новые горизонты управления теплом: как кристаллы могут «перекачивать» энергию

Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) продемонстрировали теоретически, что в высокоупорядоченных и чрезвычайно чистых кристаллах тепло может вести себя не так, как обычно. Вместо привычного рассеяния от горячих областей к холодным, в таких материалах возникает направленный поток с вихрями и даже обратное движение тепла. Представьте себе, что вы обхватили чашку горячего чая ладонью – тепло начинает «замерзать». Это звучит фантастически, но не противоречит законам квантовой механики.

Что такое фононы и как они связаны с теплом?

- Фонон – квазичастица, представляющая собой квант колебательного движения атомов в твердом теле.
- В идеальной кристаллической решётке фононы переносят энергию, то есть тепло.
- Согласно второму закону термодинамики, колебания распространяются от более горячих (с большей энергией) к более холодным атомам.

Как может возникнуть обратный поток тепла?

1. Сохранение импульса – в чистых кристаллах столкновения фононов почти не меняют их направление, что позволяет создать коллективный, «неуплотняемый» поток.
2. Гидродинамический режим – при почти несжимаемом режиме поток не «отдаёт» энергию сопротивлению, а формирует вихри и даже возвращается в сторону источника тепла.
3. Отрицательное тепловое сопротивление – тепло может перемещаться из холодных областей к более тёплым, создавая отрицательный перепад температуры, при этом общая энтропия системы всё равно растёт.

Теоретическая модель и подтверждение

- Учёные разработали гидродинамическое уравнение, разложив его на ключевые элементы поведения потока.
- Численные симуляции на двумерной полоске графита подтвердили возможность наблюдения такого эффекта.
- Новая аналитика предоставляет инструмент для количественного описания и оптимизации обратного теплового потока.

Почему это важно?

Что дальше?

- Модель применима не только к фононам, но и к другим носителям тепла: электронам, экситонам и др., что делает её универсальным инструментом для будущих технологий в наноэлектронике и энергетике.
- Открытие открывает путь к созданию «тепловых насосов» на уровне кристаллической решётки, способных эффективно управлять теплом даже в миниатюрных устройствах.

Таким образом, теоретические исследования EPFL демонстрируют, что при правильной структуре и чистоте материала можно не просто передавать тепло, но и направлять его «обратным ходом», открывая новые перспективы для управления энергией на микро- и наноуровне.