Uno scenario impossibile: il calore veloce come il suono
26 marzo 2019
Un fenomeno noto come secondo suono, che era stato osservato solo in pochi materiali e a
temperature bassissime, è comparso a sorpresa nella grafite a temperature ordinarie. La scoperta ha
messo in subbuglio i fisici per la sua stranezza e perché potrebbe risolvere fondamentali problemi di raffreddamento dei componenti microelettronici
di Shannon Hall / Scientific American
Aveva appena eseguito un nuovo esperimento esaminando la grafite comune, il materiale della mina
delle matite, ma i risultati sembravano fisicamente impossibili: il calore, che tipicamente si
disperde lentamente, aveva attraversato la grafite alla velocità del suono. È come mettere una
pentola d’acqua su un fornello acceso e osservare lacqua bollire quasi istantaneamente invece di dover aspettare vari minuti.
Non c’è da stupirsi che Duncan, studente laureato al Massachusetts Institute of Technology, non
riuscisse a credere ai suoi occhi. Per assicurarsi di non aver commesso errori, ha verificato tutto
quattro volte all’interno del suo apparato sperimentale, ha fatto l’esperimento ancora una volta e
poi si è preso una pausa. “Ho cercato di dormire un po’, sapendo che non sarei stato in grado di
dire se l’esperimento avrebbe avuto successo o meno per diverse ore, ma trovavo molto difficile
spegnere tutto per la notte”, ricorda. Quando, la mattina dopo, la sveglia di Duncan ha suonato, è
corso al computer (ancora in pigiama) e ha effettuato nuove misurazioni solo per trovarsi di fronte
lo stesso risultato: ancora una volta, il calore si era propagato in modo incredibilmente veloce.
Duncan e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati la scorsa settimana sulla rivista
Science. Il fenomeno, noto come secondo suono, ha messo i fisici in uno stato di euforia, in
parte perché potrebbe aprire la strada alla microelettronica avanzata, ma soprattutto perché è così profondamente strano.
Per capire perché, basta pensare a come il calore si propaga attraverso l’aria. Viene trasportato
attraverso molecole che si scontrano costantemente tra loro e disperdono il calore in tutte le direzioni, avanti, di lato e persino all’indietro.
Questa fondamentale inefficienza rende il calore conduttivo relativamente lento (il calore radiante,
al confronto, può viaggiare alla velocità della luce come radiazione infrarossa).
La stessa lentezza caratterizza il calore che si muove attraverso un solido. Qui, i fononi
(pacchetti di energia vibrazionale acustica) trasportano il calore in modo molto simile a quanto
fanno le molecole nell’aria, permettendogli di propagarsi in tutte le direzioni e disperdersi
lentamente. “È un po’ come prendere una goccia di colorante alimentare e metterla nellacqua: si
diffonde”, dice Keith Nelson, tutor di Duncan al MIT. “Non si sposta semplicemente in linea retta, come una freccia, dal punto in cui si mette la goccia.
Ma questo è esattamente ciò che suggerisce l’esperimento di Duncan. Nel secondo suono, la
retrodiffusione dei fononi viene pesantemente soppressa, consentendo al calore di proiettarsi in
avanti. “È così che si comportano i movimenti ondulatori”, afferma Nelson. “Se ci si trova in una
piscina e si produce un’onda, essa lascerà il punto in cui siamo… Ma non è normale che il calore si comporti in quel modo.
E nella maggior parte dei casi non lo fa.
Il secondo suono è stato rilevato per la prima volta nell’elio liquido 75 anni fa e successivamente
è stato osservato in tre solidi. “Tutte le indicazioni iniziali erano che si trattasse di un
fenomeno che sarebbe rimasto confinato in pochissimi materiali e solo a temperature molto basse”,
afferma Nelson. In quanto tale, gli scienziati pensavano di essere arrivati alla fine della storia.
Non era molto chiaro che cosa potesse essere il secondo suono, a parte un’affermazione
scientifica, dice Nicola Marzari, ricercatore di scienzia dei materiali presso l’Istituto Federale
Svizzero di Tecnologia, a Losanna, che non era coinvolto in questo studio. “Così, l’intero campo di studi è rimasto sopito per molti anni”.
Ma i notevoli miglioramenti nelle simulazioni numeriche hanno contribuito a rivitalizzarlo circa
cinque anni fa, consentendo agli scienziati di riconoscere che il fenomeno avrebbe potuto essere più
diffuso. Gang Chen, un ingegnere del MIT, per esempio, era in grado di prevedere che il secondo
suono potesse essere visibile all’interno della grafite a temperature piuttosto miti. Quella
predizione elettrizzò Duncan, che lo provò appena possibile, fino ad accontonare il resto delle sue ricerche quando i risultati si sono dimostrati così poco intuitivi.
Innanzitutto, Duncan ha depositato calore nel campione di grafite usando due raggi laser incrociati
per creare una figura d’interferenza, che alterna regioni luminose e regioni buie, che corrispondono
a creste e avvallamenti nelle onde di luce che collidono. All’inizio, le creste riscaldavano la
grafite mentre le depressioni rimanevano fredde. Ma quando Duncan ha spento i laser, lo schema
avrebbe dovuto scomparire lentamente, mentre il calore scorreva dalle creste calde verso le
depressioni fredde. L’esperimento avrebbe raggiunto la sua conclusione una volta che l’intero campione avesse raggiunto una temperatura uniforme.
O almeno questo è ciò che accade normalmente. Ma quando i laser hanno smesso di brillare, la grafite
ha mostrato di avere altri piani, continuando a permettere al calore di fluire fino a quando le
creste calde sono diventate più fredde delle depressioni. Questo è un po’ come un piano cottura che
diventa ghiacciato nell’istante in cui lo si spegne, invece di raffreddarsi gradualmente fino alla temperatura ambiente. “È strano”, dice Nelson. “Il calore non dovrebbe farlo!”.
E certamente non dovrebbe farlo a temperature così elevate. Marzari, che ha previsto il fenomeno
quasi nello stesso periodo di Chen, era quindi abbastanza fiducioso che sarebbe risultato valido.
Nonostante ciò, non era certo che il secondo suono sarebbe stato osservato alle alte temperature
previste. “Se mi avessi chiesto di scommettere il mio mutuo sull’esistenza di questo effetto, avrei
detto di sì”, dice Marzari. “Ma la domanda è sempre: succede a 100 Kelvin, 20 Kelvin o 0,1 Kelvin?”
L’esperimento di Duncan ha trovato l’effetto a 120 Kelvin, un valore più di 10 volte superiore
rispetto alle misurazioni precedenti. “Nessuno ha mai pensato che sarebbe stato in grado di farlo a
temperature così elevate”, dice Venkatesh Narayanamurti, professore di ricerca in tecnologia e
politiche pubbliche presso l’Università di Harvard, che non era coinvolto nello studio. “In tal senso, smentisce un po’ il senso comune”.
Ciò suggerisce anche che la scoperta potrebbe trovare un uso pratico futuro. Non solo la temperatura
è molto più pratica del freddo criogenico richiesto per lavorare con i risultati precedenti, ma la
grafite è un materiale comune: due caratteristiche che potrebbero aiutare gli ingegneri a superare il problema scoraggiante della gestione del calore nella microelettronica.
Immaginate solo se il calore si esaurisse alla velocità del suono, consentendo a materiali e
dispositivi di raffreddarsi molto più rapidamente. Tale impresa sicuramente consentirebbe agli
ingegneri di costruire microelettronica più piccola ed efficiente. Con questo in mente,
Narayanamurti (che ha lavorato al secondo suono quando era ai laboratori AT&T Bell dal 1968 al 1987)
sospetta che il campo presto conoscerà ancora una volta un notevole sviluppo. “Se fossi ancora ai
Bell Labs, farei esperimenti su di esso perché sarà importante tra 10 o 15 anni”.
(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 22 marzo 2019.
Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)
https://www.scientificamerican.com/article/scientists-watch-as-heat-moves-at-the-speed-of-sound/
http://science.sciencemag.org/content/early/2019/03/13/science.aav3548
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