Pesquisadores da Universidade Politécnica Peter the Great St.Petersburg (SPbPU) descobriram e teoricamente explicaram um novo efeito físico:a amplitude das vibrações mecânicas pode crescer sem influência externa. O grupo científico ofereceu sua explicação sobre como eliminar o paradoxo Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou.

Os cientistas da SPbPU explicaram usando um exemplo simples:para balançar um balanço, você tem que continuar pressionando. Em geral, acredita-se que é impossível alcançar ressonância oscilatória sem influência externa constante.

Contudo, o grupo científico da Escola Superior de Mecânica Teórica, Instituto de Matemática Aplicada e Mecânica SPbPU descobriu um novo fenômeno físico de 'ressonância balística, "onde oscilações mecânicas podem ser excitadas apenas devido aos recursos térmicos internos do sistema.

O trabalho experimental de pesquisadores de todo o mundo demonstrou, que o calor se espalha em velocidades anormalmente altas em níveis nano e micro em materiais cristalinos ultrapuros. Este fenômeno é denominado condutividade de calor balística.

O grupo científico supervisionado pelo membro correspondente da Academia Russa de Ciências Anton Krivtsov, derivou as equações que descrevem este fenômeno e fez um progresso significativo na compreensão geral dos processos térmicos no nível micro. No estudo publicado em Revisão Física E os pesquisadores consideraram o comportamento do sistema na distribuição periódica inicial de temperatura no material cristalino.

O fenômeno descoberto descreve que o processo de equilíbrio térmico leva a vibrações mecânicas com uma amplitude que aumenta com o tempo. O efeito é chamado de ressonância balística.

"Ao longo dos últimos anos, nosso grupo científico tem investigado os mecanismos de propagação do calor nos níveis micro e nano. Descobrimos que, nesses níveis, o calor não se espalha da maneira que esperávamos:por exemplo, o calor pode fluir do frio para o quente. Este comportamento dos nanossistemas leva a novos efeitos físicos, como ressonância balística, "disse o Professor Associado da Escola Superior de Mecânica Teórica SPbPU Vitaly Kuzkin.

De acordo com ele, no futuro, os pesquisadores planejam analisar como isso pode ser usado em materiais tão promissores como, por exemplo, grafeno.

Essas descobertas também fornecem uma oportunidade para resolver o paradoxo de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. Em 1953, um grupo científico liderado por Enrico Fermi realizou um experimento de computador que mais tarde se tornou famoso. Os cientistas consideraram o modelo mais simples de oscilações de uma cadeia de partículas conectadas por molas. Eles presumiram que o movimento mecânico desapareceria gradualmente, transformando-se em oscilações térmicas caóticas. Ainda, o resultado foi inesperado:as oscilações na cadeia primeiro quase diminuíram, mas então reviveu e atingiu quase o nível inicial. O sistema voltou ao seu estado inicial, e o ciclo se repetiu. As causas das oscilações mecânicas das vibrações térmicas no sistema considerado têm sido objeto de pesquisas científicas e disputas por décadas.

A amplitude das vibrações mecânicas causadas pela ressonância balística não aumenta infinitamente, mas atinge seu máximo; depois disso, começa a diminuir gradualmente para zero. Eventualmente, oscilações mecânicas desaparecem completamente, e a temperatura se equilibra em todo o cristal. Este processo é denominado termalização. Para físicos, este experimento é vital porque uma cadeia de partículas conectadas por molas é um bom modelo de material de cristal.

Pesquisadores da Escola Superior de Mecânica Teórica mostraram que a transição da energia mecânica em calor é irreversível se considerarmos o processo na temperatura finita.

"Usualmente, não é levado em consideração que em materiais reais, há um movimento térmico, junto com um mecânico, e a energia do movimento térmico é várias ordens de magnitude mais alta. Recriamos essas condições em um experimento de computador e mostramos que é o movimento térmico que amortece a onda mecânica e impede o renascimento das oscilações, "explicou Anton Krivtsov, diretor da Escola Superior de Mecânica Teórica SPbPU, membro correspondente da Academia Russa de Ciências.

De acordo com os especialistas, a abordagem teórica proposta pelos cientistas da SPbPU demonstra uma nova abordagem de como entendemos o calor e a temperatura. Pode ser fundamental no desenvolvimento de dispositivos nanoeletrônicos no futuro.