Investigadores de la Universidad Politécnica Pedro el Grande de San Petersburgo (SPbPU) han descubierto y explicado teóricamente un nuevo efecto físico:la amplitud de las vibraciones mecánicas puede crecer sin influencia externa. El grupo científico ofreció su explicación sobre cómo eliminar la paradoja de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou.

Los científicos de SPbPU lo explicaron con un ejemplo simple:para balancear un columpio, tienes que seguir empujándolo. Generalmente se cree que es imposible lograr una resonancia oscilatoria sin una influencia externa constante.

Sin embargo, el grupo científico de la Escuela Superior de Mecánica Teórica, Instituto de Matemática Aplicada y Mecánica SPbPU descubrió un nuevo fenómeno físico de 'resonancia balística, "donde las oscilaciones mecánicas se pueden excitar sólo debido a los recursos térmicos internos del sistema.

El trabajo experimental de investigadores de todo el mundo demostró, que el calor se propaga a velocidades anormalmente altas a niveles nano y micro en materiales cristalinos ultrapuros. Este fenómeno se denomina conductividad térmica balística.

El grupo científico supervisado por el miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia Anton Krivtsov, derivó las ecuaciones que describen este fenómeno y logró un progreso significativo en la comprensión general de los procesos térmicos a nivel micro. En el estudio publicado en Revisión física E Los investigadores consideraron el comportamiento del sistema en la distribución periódica inicial de temperatura en el material cristalino.

El fenómeno descubierto describe que el proceso de equilibrio térmico conduce a vibraciones mecánicas con una amplitud que crece con el tiempo. El efecto se llama resonancia balística.

"En los ultimos años, nuestro grupo científico ha estado investigando los mecanismos de propagación del calor a nivel micro y nano. Descubrimos que en estos niveles, el calor no se propaga de la manera que esperábamos:por ejemplo, el calor puede fluir de frío a caliente. Este comportamiento de los nanosistemas conduce a nuevos efectos físicos, como resonancia balística, ", dijo el profesor asociado de la Escuela Superior de Mecánica Teórica SPbPU Vitaly Kuzkin.

De acuerdo con él, en el futuro, los investigadores planean analizar cómo se puede utilizar en materiales tan prometedores como, por ejemplo, grafeno.

Estos descubrimientos también brindan la oportunidad de resolver la paradoja de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. En 1953, un grupo científico dirigido por Enrico Fermi llevó a cabo un experimento informático que luego se hizo famoso. Los científicos consideraron el modelo más simple de oscilaciones de una cadena de partículas conectadas por resortes. Supusieron que el movimiento mecánico se desvanecería gradualmente, convirtiéndose en caóticas oscilaciones térmicas. Todavía, el resultado fue inesperado:las oscilaciones en la cadena casi decayeron primero, pero luego revivió y alcanzó casi el nivel inicial. El sistema llegó a su estado inicial, y el ciclo se repitió. Las causas de las oscilaciones mecánicas de las vibraciones térmicas en el sistema considerado han sido objeto de investigaciones científicas y disputas durante décadas.

La amplitud de las vibraciones mecánicas causadas por la resonancia balística no aumenta infinitamente, pero alcanza su máximo; después de eso, comienza a disminuir gradualmente a cero. Finalmente, las oscilaciones mecánicas se desvanecen por completo, y la temperatura se equilibra en todo el cristal. Este proceso se llama termalización. Para los físicos, este experimento es vital porque una cadena de partículas conectadas por resortes es un buen modelo de material cristalino.

Investigadores de la Escuela Superior de Mecánica Teórica demostraron que la transición de la energía mecánica en calor es irreversible si consideramos el proceso a la temperatura finita.

"Generalmente, no se tiene en cuenta que en materiales reales, hay un movimiento térmico, junto con uno mecánico, y la energía del movimiento térmico es varios órdenes de magnitud mayor. Recreamos estas condiciones en un experimento informático y demostramos que es el movimiento térmico el que amortigua la onda mecánica y evita la reactivación de las oscilaciones. "explicó Anton Krivtsov, director de la Escuela Superior de Mecánica Teórica SPbPU, miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia.

Según los expertos, El enfoque teórico propuesto por los científicos de la SPbPU demuestra un nuevo enfoque sobre cómo entendemos el calor y la temperatura. Puede ser fundamental en el desarrollo de dispositivos nanoelectrónicos en el futuro.