Varmeenergi springer gennem det tomme rum, takket være kvantemærkelighed

Hvis du bruger en vakuumisoleret termokande til at holde din kaffe varm, du ved måske, at det er en god isolator, fordi varmeenergi har svært ved at bevæge sig gennem tomt rum. Vibrationer af atomer eller molekyler, som bærer termisk energi, kan simpelthen ikke rejse, hvis der ikke er atomer eller molekyler rundt omkring.

Men en ny undersøgelse af forskere ved University of California, Berkeley, viser, hvordan kvantemekanikkens underlighed kan vende selv denne grundlæggende grundsætning i klassisk fysik på hovedet.

Studiet, optræder i denne uge i journalen Natur , viser, at varmeenergi kan springe hen over et par hundrede nanometer af et fuldstændigt vakuum, takket være et kvantemekanisk fænomen kaldet Casimir -interaktionen.

Selvom denne interaktion kun er vigtig på meget korte længder, det kan have dybtgående konsekvenser for design af computerchips og andre elektroniske nanoskala komponenter, hvor varmeafledning er nøglen. Det ophæver også, hvad mange af os lærte om varmeoverførsel i gymnasiets fysik.

"Varme ledes normalt i et fast stof gennem vibrationer af atomer eller molekyler, eller såkaldte fononer-men i et vakuum, der er intet fysisk medium. Så, i mange år, lærebøger fortalte os, at fononer ikke kan rejse gennem et vakuum, "sagde Xiang Zhang, professoren i maskinteknik ved UC Berkeley, der vejledte undersøgelsen. "Hvad vi opdagede, overraskende, er, at fononer faktisk kan overføres over et vakuum ved usynlige kvanteudsving. "

I forsøget, Zhangs team placerede to guldbelagte siliciumnitridmembraner et par hundrede nanometer fra hinanden inde i et vakuumkammer. Da de opvarmede en af ​​membranerne, den anden varmede op, også - selvom der ikke var noget, der forbandt de to membraner og ubetydelig lysenergi, der passerede mellem dem.

"Denne opdagelse af en ny mekanisme til varmeoverførsel åbner hidtil usete muligheder for termisk styring på nanoskala, hvilket er vigtigt for højhastighedsberegning og datalagring, "sagde Hao-Kun Li, en tidligere ph.d. studerende i Zhangs gruppe og medforstifter af undersøgelsen. "Nu, vi kan konstruere kvantevakuumet til at ekstrahere varme i integrerede kredsløb. "

Ikke noget, der hedder tom plads

Den tilsyneladende umulige bedrift med at flytte molekylære vibrationer hen over et vakuum kan opnås fordi, ifølge kvantemekanik, der er ikke noget, der virkelig hedder tomt rum, sagde kong Yan Fong, en postdoktor ved UC Berkeley og undersøgelsens anden første forfatter.

"Selvom du har tom plads - uanset, intet lys - kvantemekanikken siger, at den ikke kan være tom. Der er stadig nogle kvantefeltudsving i et vakuum, "Fong sagde." Disse udsving giver anledning til en kraft, der forbinder to objekter, som kaldes Casimir -interaktionen. Så, når en genstand opvarmes og begynder at ryste og svinge, at bevægelse faktisk kan overføres til det andet objekt på tværs af vakuumet på grund af disse kvanteudsving. "

Selvom teoretikere længe har spekuleret i, at Casimir -interaktionen kunne hjælpe molekylære vibrationer til at rejse gennem det tomme rum, at bevise det eksperimentelt har været en stor udfordring. For at gøre det, teamet konstruerede ekstremt tynde siliciumnitridmembraner, som de fremstillede i et støvfrit rent rum, og derefter udtænkt en måde til præcist at kontrollere og overvåge deres temperatur.

De fandt ud af, at ved omhyggeligt at vælge membranernes størrelse og design, de kunne overføre varmeenergien over et par hundrede nanometer vakuum. Denne afstand var langt nok til, at andre mulige varmeoverførselsmetoder var ubetydelige - såsom energi båret af elektromagnetisk stråling, det er sådan energi fra solen opvarmer Jorden.

Fordi molekylære vibrationer også er grundlaget for de lyde, vi hører, denne opdagelse antyder, at lyde også kan rejse gennem et vakuum, Sagde Zhang.

"For 25 år siden, under min ph.d. kvalificerende eksamen i Berkeley, en professor spurgte mig 'Hvorfor kan du høre min stemme over dette bord?' Jeg svarede det, 'Det er fordi din lyd bevæger sig efter vibrerende molekyler i luften.' Han spurgte yderligere, 'Hvad hvis vi suger alle luftmolekyler ud af dette rum? Kan du stadig høre mig? ' Jeg sagde, 'Ingen, fordi der ikke er noget medium til at vibrere, '"Sagde Zhang." I dag, hvad vi opdagede er en overraskende ny form for varmeledning over et vakuum uden et medium, som opnås ved de spændende kvantevakuumudsving. Så, Jeg tog fejl i min eksamen i 1994. Nu, du kan råbe gennem et vakuum. "