Когда вы касаетесь горячей поверхности, вы чувствуете движение. Если вы прижмете руку к кружке чая, тепло будет распространяться через ваши пальцы. Это ощущение того, что миллиарды атомов стучатся вместе. Крошечные вибрации переносят тепловую энергию из воды в кружку, а затем в вашу кожу, когда одна молекула стучит в другую, отправляя ее в третье - и так далее по линии.
Тепло также может пересекать пространство как волны излучения, но без излучения ему нужно что-то проходить - молекулы, чтобы врезаться в другие молекулы. В пылесосах нет "материала", поэтому они, как правило, задерживают тепло. Например, на орбите Земли одна из самых больших инженерных задач - выяснить, как охлаждать ракетный корабль.
Но теперь исследователи показали, что в микроскопических масштабах это не совсем так. В новой статье, опубликованной 11 декабря в журнале Nature, физики показали, что небольшие колебания тепла могут пересекать сотни нанометров пустого пространства. В их эксперименте использовалась сверхъестественная особенность квантового вакуума: он не совсем пустой.
«Мы показали, что два объекта могут« разговаривать »друг с другом через пустое пространство, например, сотни нанометров», - сказал Хао-Кун Ли, один из ведущих авторов исследования. Ли - физик в Стэнфордском университете, который работал над этим исследованием, когда он был докторантом в Калифорнийском университете в Беркли.
Сотни нанометров - это бесконечно малое пространство в человеческом смысле - несколько тысячных миллиметра или немного больше, чем типичный вирус. Но это все еще слишком большой промежуток для пересечения тепла, по крайней мере, в соответствии с простыми моделями теплопередачи.
В 2011 году исследователи начали размышлять о том, что сам квантовый вакуум мог бы переносить молекулярные колебания тепла. В статье, опубликованной в журнале «Прикладная физика», указывалось, что в квантовой физике вакуум понимается как место, бурлящее энергией. Случайные колебания материи и энергии возникают и затем исчезают, как правило, в масштабах, намного меньших, чем люди могут себе представить.
Эти колебания хаотичны и непредсказуемы. Но они могут действовать как ступеньки, чтобы нести волну тепла - в форме квантового возбуждения, известного как фонон - через промежуток. Если бы вы были фононом, намеревающимся пересечь широкий промежуток, скажем, в несколько дюймов, вероятность правильных колебаний, происходящих в правильном порядке, чтобы перебросить вас, была бы настолько низкой, что попытка была бы бессмысленной.
Исследователи показали, что сужают масштаб, и шансы улучшаются. Приблизительно в 5 нанометров этот странный квантовый классик станет доминирующим способом переноса тепла через пустое пространство, опережая даже электромагнитное излучение, которое ранее считалось единственным способом передачи энергии через вакуум.
Тем не менее, эти исследователи предсказали, что эффект будет значительным только до масштаба около 10 нанометров. Но увидеть что-либо в масштабе 10 нанометров сложно.
«Когда мы разработали эксперимент, мы поняли, что это нелегко сделать», - сказал Ли.
Даже если эффект случается, пространственный масштаб настолько мал, что нет хорошего способа его окончательно измерить. Чтобы получить первое прямое наблюдение за теплом, пересекающим вакуум, физики из Калифорнийского университета в Беркли выяснили, как увеличить масштаб эксперимента.
«Мы разработали эксперимент, в котором используются очень мягкие механические мембраны», то есть они очень эластичные или эластичные, сказал Ли.
Он объяснил, что если вы сорвете жесткую стальную гитарную струну, вибрации будут намного меньше, чем те, которые вы увидели бы, если бы вы взяли более эластичную нейлоновую гитарную струну с той же прочностью. То же самое произошло на наноуровне в эксперименте: эти ультраэластичные мембраны позволили исследователям увидеть крошечные тепловые колебания, которые в противном случае не были бы видны. Тщательно отражая свет от этих мембран, исследователи смогли наблюдать фононы тепла, пересекающие все еще крошечный промежуток.
В будущем Ли сказал, что эта работа может оказаться полезной как для людей, строящих обычные компьютеры, так и для разработчиков квантовых компьютеров.
По словам Ли, ключевой проблемой в создании более качественных и более быстрых микросхем является выяснение того, как рассеивать тепло из цепей, сгруппированных в крошечные пространства.
«Наше открытие фактически подразумевает, что вы можете создать вакуум для рассеивания тепла от компьютерных чипов или наноразмерных устройств», - сказал он.
По его словам, если бы вы настроили вакуум, правильно придав ему правильные формы, в далеком будущем он мог бы стать более эффективным для отвода тепла от чипа, чем любая существующая среда.
Методы, которые исследователи использовали, также могут быть использованы для переплетения фононов - самих колебаний - через разные мембраны. Это связало бы фононы на квантовом уровне точно так же, как квантовые физики уже связывают фотоны или легкие частицы, которые разделены в пространстве. Будучи связанными, фононы могут использоваться для хранения и передачи квантовой информации, чтобы функционировать как «механические кубиты» гипотетического квантового компьютера. И как только он остынет, сказал он, фононы должны быть еще более эффективными при долговременном хранении данных, чем традиционные кубиты.
