Zweiter Schall – “unmögliches” Szenario

Wissenschaftler beobachten, wie sich Hitze mit Schallgeschwindigkeit bewegt

Der sogenannte “zweite Schall”, ein seltenes Phänomen, das nur bei einer Handvoll Materialien unter niedrigen Temperaturen auftritt, wurde in “warmem” Graphit entdeckt – ein Effekt, der die zukünftige Mikroelektronik unterstützen könnte. Shannon Hall beschrieb am 22.03.2019 auf Scientific American das ursprünglich von Jennifer Chu auf der Webseite des Massachusetts Institute of Technology (MIT) am 14.03.2019 publizierte Phänomen. (Jeweils gekürzte Übersetzungen von Solarify).

Ryan Duncan erstarrte. Er hatte gerade ein Experiment an gewöhnlichem Graphit – dem Material der Bleistiftmine – durchgeführt, aber die Ergebnisse schienen physikalisch unmöglich: Die Wärme, die sich normalerweise langsam verteilt, war mit Schallgeschwindigkeit durch den Graphit geflossen, etwa so, als würde man einen Topf Wasser auf einen heißen Ofen stellen und fast sofort beim Kochen zusehen, anstatt die langen Minuten herunter zählen, bis das Wasser kocht .

“Zweiter Schall”

Kein Wunder traute Duncan, Doktorand am Massachusetts Institute of Technology, seinen Augen nicht. Um sicherzustellen, dass er keinen Fehler gemacht hatte, überprüfte er alles in seinem Versuchsaufbau, führte das Experiment erneut durch und machte eine psychologische Pause. “Ich versuchte, etwas zu schlafen, weil ich wusste, dass ich nicht mehr sagen konnte, ob das Experiment erfolgreich war oder nicht, aber ich fand es ziemlich schwierig, für die Nacht abzuschalten”, erinnert er sich. Als Duncans Wecker am nächsten Morgen ertönte, rannte er noch im Pyjama zu seinem Computer und startete die neuen Messungen, mit dem gleichen Ergebnis: Die Hitze hatte sich immer noch unglaublich schnell bewegt.

Duncan und seine Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse am 14.03.2019 in Science. Das Phänomen, “zweiter Schall” genannt (und seit 75 Jahren bei ganz wenigen Substanzen bekannt, s.u.), versetzte die Physiker in einen euphorischen Zustand – zum Teil, weil es den Weg für eine fortschrittliche Mikroelektronik ebnen könnte, aber vor allem, weil es zutiefst verwirrend war. Der Science-Artikel deutet darauf hin, dass Graphit und vielleicht sein leistungsstarker Verwandter, Graphen, die Wärme in mikroelektronischen Vorrichtungen auf eine bisher unerkannte Weise effizient ableiten können.

“Es herrscht großer Druck, Elektronikteile kleiner machen und auf engerem Raum anzuordnen, das Wärmemanagement wird bei diesen Maßstäben immer schwieriger”, sagt Keith Nelson, Haslam und Dewey Professor für Chemie am MIT. “Es gibt gute Gründe zu glauben, dass der zweite Schall in Graphen noch ausgeprägter sein könnte, selbst bei Raumtemperatur. Wenn sich herausstellt, dass Graphen Wärme effizient als Wellen ableiten kann, wäre das wunderbar.”

Das Ergebnis entsprang einer langjährigen interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen der Forschungsgruppe von Nelson und Gang Chen, dem Carl Richard Soderberg Professor für Maschinenbau und Energietechnik. MIT-Koautoren der Untersuchung sind die Hauptautoren Sam Huberman und Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding und Alexei Maznev.

“Auf der Schnellstraße”

Normalerweise wandert die Wärme diffus durch Kristalle, durch die Luft über Moleküle getragen, die ständig miteinander kollidieren und die Wärme in alle Richtungen vorwärts, seitwärts und sogar rückwärts streuen. Diese grundlegende Ineffizienz macht leitfähige Wärme relativ träge (Strahlungswärme kann im Vergleich dazu mit Lichtgeschwindigkeit als Infrarotstrahlung reisen). Die gleiche Trägheit gilt auch für Wärme, die sich durch ein Festkörper bewegt, getragen von “Phononen” oder Paketen mit akustischer Schwingungsenergie. Die mikroskopische Struktur eines jeden kristallinen Festkörpers ist ein Gitter aus Atomen, die schwingen, wenn sich Wärme durch das Material bewegt. Diese Gittervibrationen, die Phononen, tragen letztendlich Wärme ab und diffundieren sie von ihrer Quelle, obwohl diese Quelle die wärmste Region bleibt, ähnlich wie ein Wasserkocher, der sich allmählich abkühlt.

Der Wasserkocher bleibt der wärmste Ort, denn da die Wärme von Molekülen in der Luft abgeführt wird, werden diese Moleküle ständig in alle Richtungen gestreut, auch zurück zum Wasserkocher. Diese “Rückstreuung” findet auch bei Phononen statt und hält den ursprünglich erwärmten Bereich eines festen Körpers an der wärmsten Stelle, auch wenn die Wärme wegdiffundiert. In Materialien, die den zweiten Schall aufweisen, wird diese Rückstreuung jedoch stark unterdrückt. Phononen hingegen konservieren den Impuls und rasen massenhaft davon, und die in den Phononen gespeicherte Wärme wird als Welle übertragen. So wird der ursprünglich erwärmte Punkt mit fast Schallgeschwindigkeit abgekühlt.

Graphen mit zweitem Schall?

Frühere theoretische Arbeiten in Chens Gruppe hatten gezeigt, dass Phononen in Graphen innerhalb eines Temperaturbereichs überwiegend dynamisch interagieren können, was darauf hindeutet, dass Graphen den zweiten Schall aufweisen könnte. Vergangenes Jahr war Huberman, ein Mitglied von Chens Labor, neugierig, ob dies für gewöhnlichere Materialien wie Graphit gelten könnte. Aufbauend auf Werkzeugen, die zuvor in Chens Gruppe für Graphen entwickelt wurden, entwickelte er ein komplexes Modell zur numerischen Simulation des Transports von Phononen in einer Graphitprobe. Für jedes Phonon verfolgte er jedes mögliche Streuereignis, das mit jedem anderen Phonon stattfinden konnte, basierend auf deren Richtung und Energie. Er führte die Simulationen über einen Temperaturbereich von 50 K bis Raumtemperatur durch und stellte fest, dass Wärme bei Temperaturen zwischen 80 und 120 K ähnlich wie ein zweiter Schall fließen könnte.

Huberman hatte mit Duncan in Nelsons Gruppe an einem anderen Projekt gearbeitet. Als er Duncan seine Vorhersagen mitteilte, beschloss der Experimentator, Hubermans Berechnungen auf die Probe zu stellen. “Das war eine erstaunliche Zusammenarbeit”, sagt Chen. “Ryan hat sofort alles für dieses Experiment liegen und stehen lassen. Wir waren damit wirklich auf der Überholspur”, fügt Duncan hinzu.

Duncans Experiment konzentrierte sich auf eine kleine, 10 Quadratmillimeter große Probe von handelsüblichem Graphit. Mit einer Technik namens transientes thermisches Gitter kreuzte er zwei Laserstrahlen, so dass die Interferenz ihres Lichts ein “welliges” Muster auf der Oberfläche einer kleinen Graphitprobe erzeugte. Die Bereiche der Probe, die den Wellenkämmen der Welle zugrunde lagen, wurden erwärmt, während diejenigen, die den Wellentälern der Welle entsprachen, unbeheizt blieben. Der Abstand zwischen den Kämme betrug etwa 10 Mikron. Duncan strahlte dann auf die Probe einen dritten Laserstrahl, dessen Licht durch die Welligkeit gebeugt wurde, und dessen Signal von einem Photodetektor gemessen wurde. Dieses Signal war proportional zur Höhe des Welligkeitsmusters, das davon abhing, wie viel heißer die Kämme waren als die Täler. Auf diese Weise konnte Duncan verfolgen, wie die Wärme über die Zeit über die Probe floss. Wenn die Wärme normalerweise in der Probe fließen würde, hätte Duncan gesehen, wie die Oberflächenwellen langsam abnehmen, wenn die Wärme von den Kämme zu den Tälern wanderte und das Wellenmuster weggewaschen wurde. Stattdessen beobachtete er bei 120 K “ein völlig anderes Verhalten”. Anstatt zu sehen, wie die Kämme allmählich auf das gleiche Niveau wie die Täler zerfallen, als sie abgekühlt wurden, wurden die Kämme tatsächlich kühler als die Täler, so dass das Welligkeitsmuster umgekehrt wurde – was bedeutet, dass für einige Zeit tatsächlich Wärme aus kühleren Regionen in wärmere Regionen floss.

“Es ist ein bisschen so, wenn man einen Tropfen Lebensmittelfarbe nimmt und in Wasser gibt, breitet es sich aus”, sagte Keith Nelson, Duncans Ratgeber am MIT. “Es bewegt sich nicht nur geradewegs wie ein Pfeil von der Stelle weg, an der man den Tropfen platziert hat.” Aber genau das hat Duncans Experiment nahegelegt. Im zweiten Schall wird die Rückstreuung von Phononen stark unterdrückt, so dass die Wärme nach vorne schießt. “So verhält sich eine wellenförmige Bewegung”, sagt Nelson. “Wenn man in einem Pool ist und eine Wasserwelle auslöst, wird sie dort verschwinden, wo man ist…. Aber es ist einfach nicht normal, dass sich Hitze so verhält.” Und in den meisten Fällen nicht. Der zweite Schall wurde erstmals vor 75 Jahren in flüssigem Helium entdeckt und später in drei Feststoffen (das beschreibt Wikipedia heute noch so: “Der Effekt wurde bisher lediglich bei 3He, 4He und 6Li beobachtet”). “Alle Anzeichen deuteten anfangs darauf hin, dass sich das wirklich auf sehr wenige Materialien und nur bei sehr niedrigen Temperaturen beschränken würde”, sagt Nelson. Daher dachten die Wissenschaftler, sie hätten das Ende der Entwicklung erreicht. “Es war nicht ganz klar, was der zweite Schall über die wissenschaftlichen Beschreibungung hinaus sein könnte”, sagte Nicola Marzari, Materialwissenschaftler an der Ecole Polytechnique Fédérale in Lausanne, der an dieser Studie nicht beteiligt war. “Also ruhte das ganze Feld viele Jahre lang.”

Aber dramatische Verbesserungen bei numerischen Simulationen halfen vor etwa fünf Jahren, das Feld wiederzubeleben, so dass die Wissenschaftler erkannten, dass das Phänomen weiter verbreitet sein könnte. Gang konnte zum Beispiel vorhersagen, dass bei eher milden Temperaturen ein zweiter Schall in Graphit auftreten könnte. Nun scheint es, dass Duncans Befund in Zukunft praktischen Nutzen haben könnte. Nicht nur, dass die Temperatur weitaus praktischer ist als die kryogene Kühlung, die erforderlich ist, um mit den bisherigen Ergebnissen zu arbeiten, sondern Graphit ist auch ein alltägliches Material – zwei Eigenschaften, die den Ingenieuren helfen könnten, das schwierige Problem des Wärmemanagements in der Mikroelektronik von heute zu lösen. Man stelle sich vor, Wärme würde mit Schallgeschwindigkeit abfließen, so dass Materialien und Geräte viel schneller abkühlen könnten. Das würde es sicher ermöglichen, kleinere, effizientere Mikroelektronik zu bauen.

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