Forskare har sett något magiskt hända inuti grafit, saker som din blyertspenna är gjord av: Värme rörd i vågor med ljudets hastighet.
Det är ganska rad av några orsaker: Värmen är inte tänkt att röra sig som en våg - det diffunderar vanligtvis och studsar av jigglande molekyler i alla riktningar; Om värme kan röra sig som en våg, kan den röra sig i en riktning i massa bort från källan, och sortera energi på en gång från ett objekt. En dag skulle detta värmeöverföringsbeteende i grafit kunna användas för att kyla ner mikroelektronik på ett ögonblick. Det vill säga om de kan få det att fungera med en rimlig temperatur (de arbetade i benkylningstemperaturer minus 240 grader Fahrenheit eller minus 151 grader Celsius).
"Om det rymmer rumstemperatur i vissa material, skulle det finnas möjligheter för vissa tillämpningar," berättar forskar Keith Nelson, en MIT-kemist, till Live Science och tilllade att detta är den högsta temperaturen någon har sett detta beteende inträffa.
Gå på värmetåget
Forskarna beskrev "normal" värmerörelse med hjälp av en uppvärmd vattenkokare - Efter att ha stängt av brännaren stöter värmeenergi på en tur på luftmolekyler, som stöter på varandra och delar ut värme i processen. Dessa molekyler studsar runt i alla riktningar; några av dessa molekyler sprids rakt tillbaka till vattenkokaren. Med tiden når vattenkokaren och omgivningen jämvikt vid samma temperatur.
I fasta ämnen rör sig inte molekyler eftersom atomerna är låsta i läge. "Det som kan röra sig är ljudvågor," sade Nelson, som talade med Live Science tillsammans med medförfattaren Gang Chen, en maskiningenjör på MIT.
Snarare värma humle på fononer, eller små paket med ljudvibrationer; fononerna kan studsa och sprida sig, som bär värme som liknar luftmolekyler från vattenkokaren.
En udda värmebölja
Det var inte vad som hände i det här nya experimentet.
Tidigare teoretiskt arbete av Chen förutspådde att värme kan röra sig som en våg när man rör sig genom grafit eller grafen. För att testa detta korsade MIT-forskarna två laserstrålar på ytan av deras grafit och skapade det som kallas ett interferensmönster där det fanns parallella ljuslinjer och inget ljus. Detta skapade samma mönster av uppvärmda och ouppvärmda regioner vid grafitytan. Sedan siktade de en annan laserstråle mot installationen för att se vad som hände när den träffade grafiten.
"Normalt skulle värmen gradvis spridas från de uppvärmda regionerna till de ouppvärmda regionerna, tills temperaturmönstret tvättades bort," sade Nelson. "I stället flödade värmen från uppvärmda till ouppvärmda regioner och fortsatte att flöda även efter att temperaturen var jämställd överallt, så de ouppvärmda regionerna var faktiskt varmare än de ursprungligen uppvärmda regionerna." De uppvärmda regionerna blev under tiden ännu svalare än de ouppvärmda regionerna. Och det hände allt hisnande snabbt - med ungefär samma hastighet som ljudet normalt går i grafit.
"Värmen flödade mycket snabbare eftersom den rörde sig på vågliknande sätt utan att spridas," sa Nelson till Live Science.
Hur fick de detta konstiga beteende, som forskarna kallar "andra ljudet", att inträffa i grafit?
"Ur ett grundläggande perspektiv är detta bara inte vanligt beteende. Det andra ljudet har bara mätts i en handfull material någonsin, vid vilken temperatur som helst. Allt vi observerar är långt utöver det vanliga utmanar oss att förstå och förklara det," sa Nelson .
Här är vad de tror pågår: Grafit, eller ett 3D-material, har en skiktad struktur där de tunna kolskikten knappast vet att den andra är där, och så de uppför sig på samma sätt som grafen, som är ett 2D-material. På grund av vad Nelson kallar denna "låga dimensionalitet", är fononerna som bär värmen i ett lager av grafiten mycket mindre benägna att studsa om och sprida andra lager. Dessutom har fononerna som kan bildas i grafit våglängder som oftast är för stora för att reflektera bakåt efter att ha kraschat i atomer i gitteret, ett fenomen som kallas bakspridning. Dessa lilla ljudpaket sprids lite, men reser mestadels i en riktning, vilket innebär att de i genomsnitt kunde resa ett stort avstånd mycket snabbare.
Redaktörens anmärkning: Den här artikeln uppdaterades för att klargöra några av metoderna i experimentet och det faktum att värmen reste med ungefär samma hastighet som ljudet skulle gå genom grafit, inte luft, som tidigare angavs.
