Effect of fractional heat-transport operators on the photoacoustic response of aluminum

A A. Somer (Departamento de Física, Universidade Estadual de Ponta Grossa 1 , Av. Gen. Carlos Cavalcanti 4748, 84030-900 Ponta Grossa, PR,) S S. R. F. Sabino (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2 , Rua Doutor Washington Subtil Chueire 330, 84017-220 Ponta Grossa, PR,) A A. Novatski (Departamento de Física, Universidade Estadual de Ponta Grossa 1 , Av. Gen. Carlos Cavalcanti 4748, 84030-900 Ponta Grossa, PR,) G G. K. Cruz (Departamento de Física, Universidade Estadual de Ponta Grossa 1 , Av. Gen. Carlos Cavalcanti 4748, 84030-900 Ponta Grossa, PR,) E E. K. Lenzi (Departamento de Física, Universidade Estadual de Maringá 3 , Av. Colombo 5790, 87020-900 Maringá, PR,) D D. T. Dias (Departamento Acadêmico de Física, Universidade Tecnológica Federal do Paraná 4 , Rua Doutor Washington Subtil Chueire 330, 84017-220 Ponta Grossa, PR,)

Abstract

This work investigates the influence of fractional heat-transport operators on the amplitude and phase delay of the photoacoustic signal measured in aluminum samples under transmission geometry using the rear photoacoustic signal technique at high modulation frequencies. Analytical calculations show that, for metals with extremely short thermal relaxation times, hyperbolic corrections are negligible within the explored frequency window, whereas fractional generalized Cattaneo equations produce a systematic reshaping of the PA response. The best overall agreement with the experimental data is obtained with subdiffusive fractional formulations, which exhibit similar trends and indicate a non-Fourier transport regime over the investigated band, with an effective fractional order below unity (0.7–0.9). These results show that the rear photoacoustic signal technique is sensitive to non-classical heat-transport signatures even in aluminum and that fractional transport models provide a more suitable phenomenological description of the measured response than the classical Fourier framework, particularly at high modulation frequencies.

Article Details

Volume / Issue Vol. 139, Issue 24
Published June 28, 2026
ISSN 0021-8979
Publisher American Institute of Physics

Journal Info

Journal of Applied Physics

American Institute of Physics

ISSN: 0021-8979 Physical Sciences

Authors (6)

A

A. Somer

Departamento de Física, Universidade Estadual de Ponta Grossa 1 , Av. Gen. Carlos Cavalcanti 4748, 84030-900 Ponta Grossa, PR,

S

S. R. F. Sabino

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2 , Rua Doutor Washington Subtil Chueire 330, 84017-220 Ponta Grossa, PR,

A

A. Novatski

Departamento de Física, Universidade Estadual de Ponta Grossa 1 , Av. Gen. Carlos Cavalcanti 4748, 84030-900 Ponta Grossa, PR,

G

G. K. Cruz

Departamento de Física, Universidade Estadual de Ponta Grossa 1 , Av. Gen. Carlos Cavalcanti 4748, 84030-900 Ponta Grossa, PR,

E

E. K. Lenzi

Departamento de Física, Universidade Estadual de Maringá 3 , Av. Colombo 5790, 87020-900 Maringá, PR,

D

D. T. Dias

Departamento Acadêmico de Física, Universidade Tecnológica Federal do Paraná 4 , Rua Doutor Washington Subtil Chueire 330, 84017-220 Ponta Grossa, PR,