Kvantové tepelné jevy v grafenu
Grafen je speciální uhlíková nanostruktura, která je uspořádána na úrovni jednotlivých atomů v měřítku nanometrů. Připomíná velmi tenké, šestiúhelníkové a pravidelně srovnané pletivo, v jehož uzlech se nacházejí jednotlivé atomy uhlíku. Proto není divu, že se u struktury takto malých rozměrů už projevují zákony kvantové mechaniky, a to včetně oblasti tepelných jevů.
Veličiny jako teplo a teplota se v rámci této dvojrozměrné nanostruktury chovají ve značné míře jinak, než jsme zvyklí ze své každodenní zkušenosti. Například teplo se samovolně nerozptyluje z míst s větší teplotou na místa s teplotou menší, až je nakonec všude teplota stejná. Jak teplo, tak i teplota jsou zde totiž kvantovány, tzn. nemohou nabývat libovolných spojitých hodnot a teplo se také nemůže přesunovat jinak než v násobcích určitého základního kvanta. V grafenu proto například mohou vzniknout stálé ostrůvky s menší či větší teplotou, které stále přetrvávají a k vyrovnávání teplot nemusí dojít. Tepelné jevy v grafenu nedávno jako jedni z prvních podrobně studovali fyzikové a chemici z Arizonské univerzity, pod vedením profesora Charlese Stafforda.
Obecně řečeno je zde tepelná energie přenášena pomocí elektronů. Ty se sice mohou v principu uvnitř 2D grafenových struktur šířit bez omezení a bez odporu, ale chovají se na druhou stranu jako dvojrozměrné kvantové vlny. Pro tyto stavy platí omezení kvantové teorie, jsou zde tedy možné pouze jejich jisté a od sebe zřetelně oddělené stavy (této vlastnosti říkají fyzikové, že stavy v systému jsou “kvantovány”). Pokud se v rámci těchto vln vytvoří lokální vlnky či nepravidelnosti, mají tendenci přetrvávat. Z toho plyne možnost přesně ovlivňovat a řídit rozložení teplotního pole v grafenu na úrovni nanometrů, což je vlastnost, kterou u běžných makroskopických vodičů tepla neznáme. V zásadě by tak bylo potenciálně možno pomocí grafenu vytvářet velmi přesné tepelné senzory, selektivně účinná chladící zařízení na míru danému mikročipu nebo dokonce tepelné počítače.
Nezávisle na tomto výzkumu vznikla podobná práce vědců kolem Federálního technologického institutu v Lausanne (EPFL), která se zabývá šířením tepla nejen v grafenu, ale i v dalších podobných dvojrozměrných strukturách. Také oni zde potvrdili šíření tepla ve formě dvojrozměrných kvantových vln, prakticky bez odporu či ztrát, dokonce i při pokojových teplotách.
Zdroje: Phys.Org 1, Phys.Org 2, Physical review B, Nature Communications
Nejposlouchanější
Více z pořadu
E-shop Českého rozhlasu
Hurvínek? A s poslední rozhlasovou nahrávkou Josefa Skupy? Teda taťuldo, to zírám...
Jan Kovařík, moderátor Českého rozhlasu Dvojka
Hurvínkovy příhody 5
„Raději malé uměníčko dobře, nežli velké špatně.“ Josef Skupa, zakladatel Divadla Spejbla a Hurvínka
