Ученые из Санкт-Петербурга обнаружили и теоретически объяснили новый физический эффект - баллистический резонанс. Исследование может иметь основополагающее значение при разработке наноэлектронных устройств будущего.
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) обнаружили и теоретически объяснили новый физический эффект - баллистический резонанс. Его суть заключается в возможности роста амплитуды механических колебаний объекта без внешнего воздействия. Кроме того, исследователи предложили свой вариант устранения парадокса Ферми — Паста — Улама — Цингу. Об этом сообщают РИА «Новости».
Объяснить феномен достаточно просто. Раньше считалось, чтобы раскачать качели, их нужно подталкивать. Без постоянного внешнего воздействия добиться колебательного резонанса невозможно. Однако российские ученые опровергли это утверждение. Так при баллистическом резонансе механические колебания могут возбуждаться исключительно за счет внутренних тепловых ресурсов системы.
Ключом к пониманию стали экспериментальные работы научных групп по всему миру, показавшие, что в сверхчистых кристаллических материалах на нано- и микроуровне тепло распространяется с аномально высокой скоростью. Это явление назвали баллистической теплопроводностью. Научная группа под руководством члена-корреспондента РАН Антона Кривцова вывела уравнения, описывающие это явление, и существенно продвинулась в понимании тепловых процессов на микромасштабах. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review E.
Оказалось, что процесс выравнивания тепла приводит к возникновению механических колебаний с возрастающей со временем амплитудой. Эффект получил название баллистического резонанса. «Последние несколько лет наша научная группа занимается исследованием механизмов распространения тепла на микро- и наноуровне. В процессе работы мы обнаружили, что на этих уровнях тепло распространяется совсем не так, как мы ожидали, — например, тепло может течь от холодного к горячему. Такое поведение наносистем приводит к новым физическим эффектам, таким как баллистический резонанс"», — отметил доцент Высшей школы теоретической механики СПбПУ Виталий Кузькин. По его словам, в дальнейшем ученые хотят понять, как это можно использовать в таких перспективных материалах, как, например, графен.
Эти открытия также дают возможность разрешения парадокса Ферми — Паста — Улама — Цингу. Дело в том, что в 1953 году научная группа, возглавляемая Энрико Ферми, провела ставший впоследствии знаменитым компьютерный эксперимент. Ученые рассмотрели простейшую модель колебаний цепочки частиц, соединенных пружинками. Предполагалось, что механическое движение постепенно затухнет, превратившись в хаотические тепловые колебания, однако результат оказался неожиданным: колебания в цепочке сначала почти затухли, но затем возродились и практически достигли начального уровня. Система пришла в начальное состояние, и цикл снова повторился. Причины появления механических колебаний из тепловых в рассмотренной системе уже на протяжении десятков лет являются предметом научных исследований и споров.
Амплитуда механических колебаний, вызванная баллистическим резонансом, не возрастает бесконечно, а достигает максимума, после чего начинает постепенно уменьшаться до нуля. «Обычно не учитывается, что в реальных материалах, наряду с механическими, присутствует тепловое движение, энергия которого на несколько порядков выше. Мы воссоздали эти условия в компьютерном эксперименте и показали, что именно тепловое движение гасит механическую волну и препятствует возрождению колебаний», — пояснил директор Высшей школы теоретической механики СПбПУ, член-корреспондент РАН Антон Кривцов.
По мнению экспертов, теоретический подход, предложенный учеными СПбПУ, позволяет по-новому взглянуть на то, что понимается под теплом и температурой, и может иметь основополагающее значение при разработке наноэлектронных устройств будущего.
