Представьте, что вы держите в ладонях чашку горячего чая и вдруг начинаете замерзать, потому что тепло уходит не от чашки к рукам, а наоборот — от рук в чашку. Звучит абсурдно, но именно такую аномалию теоретически описали исследователи из EPFL. В высокоупорядоченных и исключительно чистых кристаллах тепло способно вести себя не как рассеивающийся поток, а как направленное течение жидкости с завихрениями и даже обратным движением — от холодного к горячему.
Идея о том, что тепло может проявлять гидродинамические свойства, возникла еще 60 лет назад в рамках квантовой механики. Носителями тепла в кристаллах выступают фононы — квазичастицы, представляющие собой кванты согласованных колебаний атомов кристаллической решетки. В обычных условиях фононы сталкиваются хаотично, рассеивая тепло от более нагретых областей к холодным, как того требует второй закон термодинамики. Но в идеальных кристаллах с минимальным количеством дефектов столкновения фононов начинают сохранять импульс, и их коллективное поведение напоминает течение вязкой, почти несжимаемой жидкости.
Авторы нового исследования разложили гидродинамическое уравнение на ключевые компоненты и показали, что в определенных условиях поток фононов не просто замедляется, а перенаправляется, формируя вихри и локальные обратные течения. Возникает ситуация, когда тепло движется из более холодной зоны в более теплую, создавая отрицательный перепад температуры и, по сути, отрицательное тепловое сопротивление. Это не противоречит второму закону термодинамики, поскольку общая энтропия системы при этом продолжает расти — просто энергия перераспределяется сложным, нетривиальным образом.
Численное моделирование на двумерной полоске кристаллического графита подтвердило теоретические выкладки. Исследователи впервые получили полное аналитическое описание физики обратного теплового потока, что позволяет не только объяснять уже наблюдавшиеся в симуляциях эффекты, но и целенаправленно проектировать материалы с нужными тепловыми свойствами.
