Când atingeți o suprafață fierbinte, simțiți mișcare. Dacă apăsați mâna pe o cană de ceai, căldura se răspândește printre degete. Aceasta este senzația de miliarde de atomi care se lovesc. Vibrațiile minuscule transportă energie termică de la apă la cană și apoi în piele, pe măsură ce o moleculă bate în urmă, trimițând-o în îngrijire într-o treime - și așa mai departe în linie.
Căldura poate, de asemenea, traversa spațiul ca unde de radiație, dar fără radiații, are nevoie de chestii care să treacă - molecule pentru a se bate în alte molecule. Vacuumele nu au „chestii” în ele, așa că tind să capteze căldura. Pe orbita Pământului, de exemplu, una dintre cele mai mari provocări inginerești este să descoperi cum să răciți o navă rachetă.
Acum, cercetătorii au arătat că, la scară microscopică, acest lucru nu este adevărat. Într-o nouă lucrare publicată pe 11 decembrie în jurnalul Nature, fizicienii au arătat că micile vibrații de căldură pot traversa sute de nanometri de spațiu gol. Experimentul lor a exploatat o caracteristică neobișnuită a vidului cuantic: nu este cu adevărat goală deloc.
„Am arătat că două obiecte sunt capabile să„ discute ”între ele într-un spațiu gol de, de exemplu, sute de nanometre”, a spus Hao-Kun Li, co-autor principal al studiului. Li este fizician la Universitatea Stanford care a lucrat la această cercetare în timp ce era student la doctorat la Universitatea din California, Berkeley.
Sute de nanometri este un spațiu infinitesimal în termeni umani - câteva mii de milimetri sau un pic mai mare decât un virus tipic. Dar acesta este încă un spațiu prea mare pentru că trecerea căldurii, cel puțin în funcție de modelele simple de transfer de căldură.
În 2011, cercetătorii au început să speculeze că vidul cuantic în sine ar putea să poarte vibrațiile moleculare ale căldurii. O lucrare publicată în revista Applied Physics Letters a subliniat că, în fizica cuantică, vidul este înțeles ca un loc care se plimbă cu energie. Fluctuațiile aleatorii ale materiei și energiei apar și apoi dispar, în general la scări mult mai mici decât își pot imagina oamenii.
Aceste fluctuații sunt haotice și imprevizibile. Dar ar putea acționa ca niște pietre de pas pentru a transporta un val de căldură - sub forma unei excitații cuantice cunoscute sub numele de fonon - peste un gol. Dacă ați fi un telefon care intenționează să străbată un decalaj larg de, să spunem, câțiva centimetri, șansele fluctuațiilor potrivite să se întâmple în ordinea potrivită pentru a vă îndepărta ar fi atât de scăzute încât efortul ar fi lipsit de sens.
Dar micșorați scala, au arătat cercetătorii și șansele se îmbunătățesc. La aproximativ 5 nanometri, acest ciudat cojoc cuantic ar deveni modalitatea dominantă de a transfera căldura în spațiul gol - depășind chiar radiațiile electromagnetice, crezute anterior ca fiind singura cale prin care energia poate traversa un vid.
Totuși, acești cercetători au prezis că efectul va fi semnificativ numai până la o scară de aproximativ 10 nanometri. Dar să vezi ceva pe o scară de 10 nanometri este dificil.
„Când am conceput experimentul, ne-am dat seama că acest lucru nu se poate realiza cu ușurință”, a spus Li pentru Live Science.
Chiar dacă efectul se întâmplă, scara spațială este atât de mică încât nu există nici o modalitate bună de a o măsura în mod concludent. Pentru a produce prima observație directă a căldurii care traversează un vid, fizicienii UC Berkeley și-au dat seama cum să se extindă experimentul.
„Am proiectat un experiment care folosește membrane mecanice foarte moi”, însemnând că sunt foarte elastice sau întinse, a spus Li.
Dacă ați scos o coardă de chitară rigidă din oțel, a explicat el, vibrațiile rezultate vor fi mult mai mici decât cele pe care le-ați vedea dacă ați extras un șir de chitară din nailon mai elastic cu aceeași rezistență. Acelasi lucru s-a intamplat si la nano-scala din experiment: acele membrane ultra-elastice au permis cercetatorilor sa vada vibratii minuscule de caldura care altfel nu ar fi fost vizibile. Apărând cu atenție lumina din acele membrane, cercetătorii au putut observa fononi de căldură care traversează decalajul încă minuscul.
Pe drum, a spus Li, această lucrare s-ar putea dovedi utilă - atât pentru oameni care construiesc computere obișnuite, cât și pentru designeri de calculatoare cuantice.
Li a spus că O problemă cheie în construirea de microcipuri mai bune și mai rapide este să descoperi cum se poate dispersa căldura din circuitele grupate în spații minuscule, a spus Li.
"Constatarea noastră implică de fapt că ai putea inginer vidul pentru a disipa căldura de pe cipurile de computer sau dispozitivele la nano", a spus el.
Dacă ar fi să reglați vidul modelând-l în mod corespunzător cu materialele potrivite, s-ar putea ca, în viitor, să devină mai eficient la extragerea căldurii de pe un cip decât orice mediu existent, a spus el.
Tehnicile pe care cercetătorii le-au folosit pot fi, de asemenea, folosite pentru a încurca fononii - vibrațiile în sine - pe diferite membrane. Acest lucru ar lega fononii la un nivel cuantic, în același mod, fizicienii cuantici leagă deja fotoni, sau particule ușoare, care sunt separate în spațiu. Odată conectate, fononele ar putea fi folosite pentru a stoca și transfera informațiile cuantice, pentru a funcționa ca „cablurile mecanice” ale unui computer cuantic ipotetic. Și, odată răcit, fononii ar trebui să fie și mai eficienți la stocarea de date pe termen lung decât qubit-urile tradiționale.
