Manyetik Alanla Isının ve Sesin Kontrolü

Ses; gazlarda, sıvılarda ve katılarda atomların periyodik titreşimleriyle taşınır. Birbirimizle konuştuğumuzda, konuşmacının ses telleri titrer ve ciğerlerinden gelen havanın da titreşmesine neden olur. Bu, daha sonra dinleyicinin kulak zarlarına çarpana ve onları titreştirene kadar havada yayılan ses dalgaları yaratır. Bu titreşimlerden dinleyici, konuşmacının sözlerini yeniden oluşturabilir.

Ses, içinde bulunduğu ortamdan ve ses dalgalarının frekansından etkilenir. Ürettikleri ses dalgalarını manipüle etmek için müzik aletleri tasarlıyoruz. Ayrıca, bir köpek düdüğü tarafından üretilenler gibi, insan işitme aralığının dışında olan ses dalgaları olduğunu biliyoruz. Fizikçiler, insan işitme aralığının hem içindeki hem de dışındaki sesleri araştırdıkça, ilginç özellikler keşfedildi.

Yüz yıldan fazla bir süre önce fizikçiler, ısının basitçe atomların titreşimlerinde depolanan enerji olduğunu anladılar ve bu nedenle ısı ve sesin ilişkili olduğunu anladılar. Şimdi laboratuvarım ilk kez deneysel olarak bu atomik titreşimlerin de manyetik özelliklere sahip olduğunu gösterdi.

 

Ses Bilgimizi Geliştirmek

1930'larda fizikçiler atomik titreşimleri parçacıklar olarak modellemeye başladılar. Bu, foton dediğimiz hem dalga hem de parçacık olarak ışık kavramına benzer. Fizikçiler, ses dalgası parçacıklarına Yunanca ses kelimesinden türetilen "fononlar" adını verdiler.

Bugün fizikçiler fononları hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip yarı parçacıklar olarak ele alıyorlar. Fononlar hem sesi hem de ısıyı taşırlar. Metallerde ısı, öncelikle atomlardaki elektronların hareketi ile taşınır. Bununla birlikte, diğer tüm malzemelerde ısı neredeyse sadece fononlar tarafından taşınır.

Bu nedenle, ses dalgalarının mekanik, akustik ve termal özellikleri uzun süredir kurulmuştur. Ancak şimdiye kadar kimse ses dalgalarının manyetik özelliklere de sahip olabileceğini hayal etmemişti.

 

Deneyde kullanılan yarı iletken indiyum antimonitten yapılmış orantısız bir diyapazon. Kevin Fitzsimons, Ohio Eyalet Üniversitesi , CC BY-NC-ND

Isı, ses… ve manyetizma?

Nature Materials tarafından yapılan araştırmada, ses dalgalarının harici manyetik alanlarla etkileşime girdiğine dair deneysel kanıtlar sunulmuştur.

Deney, iki eşit olmayan bölüme ayrılmış ve daha sonra yaklaşık -445F'ye (-265C) soğutulmuş çok saf bir yarı iletken, indiyum antimonidin büyük, tek bir kristali üzerinde gerçekleştirildi. Her bölümde ayrı ayrı kontrollü bir ısı akışı sağlandı. Bu sıcaklıklarda, fononlar, her biri küçük bir kova ısı taşıyan bir yarış pistindeki koşucular gibi bireysel parçacıklar olarak düşünülebilir.

Küçük bölümde, fononlar genellikle duvarlara çarpar ve bu da onları yavaşlatır. Küçük kesit, deneyi katının müdahale edebilecek diğer özelliklerinden bağımsız kılmak için referans olarak kullanılır. Geniş bölümde, fononlar daha hızlı gidebilir ve duvarlara birbirleriyle olduğu kadar çarpmazlar. Bir manyetik alan uyguladığımızda, birbirleriyle daha sık karşılaşma eğilimi gösterirler. Manyetik alan çarpışma sayısını artırdığı için fononları da yavaşlatır ve taşıdıkları ısı miktarını %12 oranında azaltır.

Bunun katıdaki her bir atomun etrafında yörüngelerde dönen elektronlardan kaynaklandığını düşünülmektedir. Bu elektronların yörünge hareketi, harici olarak uygulanan alanla etkileşime giren çok küçük bir içsel manyetik alan yayar – bu etkiye "diamanyetizma" adı verilir. Bu özellik, cam, taş veya plastik gibi geleneksel olarak manyetik olduğunu düşünmediğimiz maddelerde bile mevcuttur. Fononların geçişi nedeniyle atomlar titreştiğinde, bu etkileşim atomlar üzerinde fononların birbirleriyle daha sık çarpışmasını sağlayan bir kuvvet oluşturur.

 

Bu sonuçlarla ne yapabiliriz?

Bu noktada, daha önce hiç düşünülmemiş yeni bir kavramı tanımlanmıştır. Mühendisler bu konsepti ısı ve ses dalgalarını manyetik olarak kontrol etmek için kullanabilirler. Ses dalgaları, ultrason görüntüleme sistemlerinde olduğu gibi, birden fazla ses kaynağı kullanılarak zaten etkili bir şekilde yönlendirilebilir, ancak ısı iletimini kontrol etmek çok daha zordur.

Motorlarda ve elektrik santrallerinde yapıldığı gibi, ısının elektrik veya mekanik güce dönüştürülmesi, insanlığın kullandığı enerjinin %90'ından fazlasını sağlar. Bu nedenle, istendiğinde ısı iletimini kontrol edebilmek, enerji üretimi üzerinde çok büyük bir etkiye sahip olabilir, ancak açıkçası, bu yeni ortaya çıkan kavramın uygulamaları gelecekte hala oldukça uzak bir yol.

KAYNAK: The Conversation