Forskere opdager, hvordan man låser varmen på plads ved hjælp af kvantemekanik

En banebrydende undersøgelse udført af forskere fra National University of Singapore (NUS) har afsløret en metode til at bruge kvantemekaniske bølgeteorier til at "låse" varme i en fast position.

Normalt, en varmekilde diffunderer gennem et ledende materiale, indtil det forsvinder, men lektor Cheng-Wei Qiu fra Institut for Elektro- og Computerteknik ved Det Tekniske Fakultet NUS og hans team brugte princippet om anti-paritetstid (APT) symmetri til at vise, at det er muligt at begrænse varmen til en lille område af en metalring uden at den spreder sig over tid.

I fremtiden, dette nyligt påviste fænomen kunne bruges til at kontrollere varmediffusion på sofistikerede måder og optimere effektiviteten i systemer, der har brug for køling. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort den 12. april 2019 i tidsskriftet Videnskab .

Frysning af spredning af varme

"Forestil dig en dråbe blæk i en strømmende strøm. Efter kort tid ville du se blækket sprede sig og flyde i strømmens retning. Forestil dig nu, om den blækdråbe forblev i samme størrelse og i samme position som vandet flød rundt om det. Det er faktisk, hvad vi har opnået med spredning af varme i vores eksperiment, " forklarede assoc prof Qiu.

Den eksperimentelle opsætning af denne undersøgelse er to modsat roterende metalringe, klemt sammen med et tyndt lag fedt. Ringenes roterende bevægelse virker som strømmen af ​​strømmen i scenariet. Når varme injiceres på et punkt i systemet, den termiske energi er i stand til at forblive på plads, fordi en roterende ring er koblet til den modsat roterende ring efter principperne for APT-symmetri.

Betingelserne for dette eksperiment er ret præcise, for at det kan lykkes. "Fra kvantemekanisk teori, du kan beregne den nødvendige hastighed for ringene. For langsomt eller for hurtigt, og du vil bryde tilstanden, " sagde professor Qiu. Når betingelserne er brudt, systemet fungerer konventionelt, og varmen føres videre, mens ringen roterer.

Afviser tendensen

Anvendelse af principperne for APT-symmetri på systemer, der involverer varme, er en fuldstændig afvigelse fra den nuværende tankegang på dette område. "Det er drastisk anderledes end de aktuelt populære forskningsemner. På dette felt, mange grupper arbejder på parity-time (PT) symmetri opsætninger, og næsten af ​​dem ser på bølgemekanik. Det er første gang nogen er trådt ud af bølgernes domæne, og vist, at APT-symmetri er anvendelig til diffusionsbaserede systemer såsom varme, " sagde Assoc Prof Qiu.

Denne demonstration af et fast varmeområde i bevægeligt metal virker kontraintuitivt, som professor Qiu indrømmer, "Før denne undersøgelse, folk troede faktisk, at dette var et forbudt område, men vi kan forklare det hele. Det overtræder ikke nogen fysiske love." I virkeligheden, grunden til at Assoc Prof Qiu og hans team var i stand til at kontrollere varmen var ved at introducere en ekstra grad af frihed i deres geniale eksperimentelle opsætning - ringens rotation

"For at APT-symmetri skal blive væsentlig i et system, der skal være et eller andet element af tab og gevinst i opsætningen – og de skal balanceres. I et traditionelt termisk diffusionssystem, APT-symmetri er ikke konsekvens, fordi der ikke er nogen gevinst- eller tabsgrad af frihed. Derfor, den mekaniske rotation er nøglespilleren her, " forklarede han.

Potentielle applikationer og næste trin

Mange moderne teknologier kræver effektiv fjernelse af varme. Mekaniske opsætninger som motorer, såvel som beregningsmæssige og elektriske komponenter skal køles effektivt. I øjeblikket, de fleste teknologier afkøles med en jævn strøm af væske for at fjerne varmen ved konvektion.

"Dette eksperiment viser, at vi skal være mere forsigtige, når vi bestemmer flowhastigheden og designet af disse systemer, " sagde Assoc Prof Qiu. Mens hans eksperimentelle opsætning indeholdt modsat roterende metalringe, det samme princip kunne anvendes på andre opsætninger i flux. "Opfattelsen er, at cirkulationen simpelthen fjerner varmen, men det er ikke altid nødvendigvis så ligetil, " han tilføjede.

Næste, holdet søger at øge størrelsen af ​​deres eksperiment. "I øjeblikket er vores opsætning i området af centimeter, så vi vil skalere det op til størrelsen af ​​rigtige motorer eller gearsystemer. Gearsystemer har ofte lignende modroterende mekanismer, som vil generere varme, så vi ønsker at anvende teori til at sprede denne varme mere effektivt, " Sagde professor Qiu.