Credit: Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University

Introduzione

I ricercatori del Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) hanno scoperto e teoricamente spiegato un nuovo effetto fisico: l’ampiezza delle vibrazioni meccaniche può crescere senza influenze esterne. Il gruppo scientifico ha offerto la propria spiegazione su come eliminare il paradosso di Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou.

Ballistic resonance

Gli scienziati della SPbPU lo hanno spiegato con un semplice esempio: per far oscillare un’altalena, bisogna continuare a spingerla. Si ritiene generalmente che sia impossibile raggiungere la risonanza oscillatoria senza una costante influenza esterna.

Tuttavia, il gruppo scientifico della Higher School of Theoretical Mechanics, Institute of Applied Mathematics and Mechanics SPbPU ha scoperto un nuovo fenomeno fisico di “risonanza balistica“, dove le oscillazioni meccaniche possono essere eccitate solo grazie alle risorse termiche interne del sistema.

Il lavoro sperimentale dei ricercatori di tutto il mondo ha dimostrato che il calore si diffonde a velocità elevate abnormi a livelli nano e micro nei materiali cristallini ultrapuri. Questo fenomeno è chiamato conducibilità del calore balistico.

Il gruppo scientifico supervisionato dal corrispondente membro dell’Accademia delle Scienze russa Anton Krivtsov, ha derivato le equazioni che descrivono questo fenomeno e ha fatto progressi significativi nella comprensione complessiva dei processi termici a livello microscopico. Nello studio pubblicato su Physical Review E i ricercatori hanno considerato il comportamento del sistema alla distribuzione periodica iniziale della temperatura nel materiale cristallino.

Il fenomeno scoperto descrive che il processo di equilibrio termico porta a vibrazioni meccaniche con un’ampiezza che cresce con il tempo. L’effetto è chiamato risonanza balistica. “Negli ultimi anni, il nostro gruppo scientifico ha esaminato i meccanismi di propagazione del calore a livello micro e nano. Abbiamo scoperto che a questi livelli il calore non si propaga come ci aspettavamo: per esempio, il calore può passare dal freddo al caldo. Questo comportamento dei nanosistemi porta a nuovi effetti fisici, come la risonanza balistica“, ha detto il professore associato della Higher School of Theoretical Mechanics SPbPU Vitaly Kuzkin.

Secondo lui, in futuro i ricercatori prevedono di analizzare come questo possa essere utilizzato in materiali promettenti come, ad esempio, il grafene.

Cercare di risolvere il paradosso di Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou

Queste scoperte offrono anche l’opportunità di risolvere il paradosso di Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. Nel 1953 un gruppo scientifico guidato da Enrico Fermi realizzò un esperimento informatico che divenne poi famoso. Gli scienziati considerarono il modello più semplice di oscillazione di una catena di particelle collegate da molle. Presumevano che il movimento meccanico si sarebbe gradualmente attenuato, trasformandosi in caotiche oscillazioni termiche. Tuttavia, il risultato fu inaspettato: le oscillazioni della catena dapprima quasi decaderono, ma poi si risvegliarono e raggiunsero quasi il livello iniziale. Il sistema giunse allo stato iniziale e il ciclo ricominciò. Le cause delle oscillazioni meccaniche dovute alle vibrazioni termiche nel sistema considerato sono state oggetto di ricerche scientifiche e numerose controversie per decenni.

L’ampiezza delle vibrazioni meccaniche causate dalla risonanza balistica non aumenta all’infinito, ma raggiunge il suo massimo; dopo di che inizia a diminuire gradualmente fino a zero. Alla fine le oscillazioni meccaniche svaniscono completamente e la temperatura si equilibra in tutto il cristallo. Questo processo è chiamato termalizzazione. Per i fisici, questo esperimento è vitale perché una catena di particelle collegate da molle è un buon modello di materiale cristallino.

Transizione irreversibile

I ricercatori della Higher School of Theoretical Mechanics hanno dimostrato che la transizione dell’energia meccanica in calore è irreversibile se consideriamo il processo alla temperatura finita.

Di solito, non si tiene conto del fatto che nei materiali reali, c’è un moto termico, insieme ad un moto meccanico e l’energia del moto termico è di diversi ordini di grandezza superiore. Abbiamo ricreato queste condizioni in un esperimento al computer e abbiamo dimostrato che è il moto termico che smorza l’onda meccanica e impedisce la ripresa delle oscillazioni“, ha spiegato Anton Krivtsov, direttore della Higher School of Theoretical Mechanics SPbPU, membro corrispondente dell’Accademia Russa delle Scienze.

Secondo gli esperti, l’approccio teorico proposto dagli scienziati della SPbPU dimostra un nuovo approccio al modo in cui intendiamo il calore e la temperatura. Potrebbe essere fondamentale per lo sviluppo di dispositivi nanoelettronici in futuro.

Approfondimento

  •  Vitaly A. Kuzkin et al, Ballistic resonance and thermalization in the Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou chain at finite temperature, Physical Review E (2020). DOI: 10.1103/PhysRevE.101.042209