Kai liečiate karštą paviršių, jaučiate judėjimą. Jei paspaudžiate ranką prie arbatos puodelio, šiluma sklinda pro pirštus. Štai milijardų atomų bangavimas kartu. Mažos vibracijos perneša šiluminę energiją iš vandens į puodelį, o paskui į jūsų odą, kai viena molekulė įsitempia į kitą, atiduodama jai rūpestį į trečiąją - ir taip toliau.
Šiluma taip pat gali kirsti kosmosą kaip radiacijos bangos, tačiau be radiacijos jai praeiti reikalinga medžiaga - molekulės, kad sprogtų į kitas molekules. Vakuumose juose nėra „daiktų“, todėl jie linkę sulaikyti šilumą. Pavyzdžiui, Žemės orbitoje vienas didžiausių inžinerinių iššūkių yra išsiaiškinti, kaip atvėsinti raketinį laivą.
Tačiau dabar tyrėjai įrodė, kad mikroskopinėmis svarstyklėmis tai nėra tiesa. Naujame leidinyje, paskelbtame gruodžio 11 d., Žurnale „Gamta“ fizikai parodė, kad nedidelės šilumos vibracijos gali peržengti šimtus nanometrų tuščios vietos. Jų eksperimentas išnaudojo nepaprastą kvantinio vakuumo ypatybę: jis iš tikrųjų nėra tuščias.
„Mes parodėme, kad du objektai gali„ susikalbėti “vienas su kitu, pavyzdžiui, per šimtus nanometrų esančioje tuščioje vietoje“, - sakė Hao-Kun Li, bendra tyrimo vadovė. Li yra Stanfordo universiteto fizikas, dirbęs prie šio tyrimo, kol buvo doktorantas Kalifornijos universitete, Berkeley.
Šimtai nanometrų yra be galo maža erdvė žmogaus atžvilgiu - kelios tūkstantosios milimetro dalys, arba šiek tiek didesnės už tipišką virusą. Bet tai vis tiek yra per didelis šilumos atotrūkis, bent jau pagal paprastus šilumos perdavimo modelius.
2011 m. Tyrėjai pradėjo spėlioti, ar pats kvantinis vakuumas gali išlaikyti šilumos molekulinius virpesius. Žurnale „Applied Physics Letters“ paskelbtame dokumente buvo atkreiptas dėmesys į tai, kad kvantinėje fizikoje vakuumas suprantamas kaip vieta, sukama su energija. Atsitiktiniai materijos ir energijos svyravimai iškyla ir išnyksta, paprastai esant mažesnėms skalėms, nei žmonės gali įsivaizduoti.
Tie svyravimai yra chaotiški ir nenuspėjami. Bet jie galėtų elgtis kaip laipteliai, kad šilumos atotrūkis bangos pavidalu - kvantinio sužadinimo pavidalu žinomas kaip fononas - būtų tarpas. Jei jūs būtumėte fononas, siekiantis peržengti didelę, tarkime, kelių colių spragą, tikimybė, kad teisingi svyravimai įvyks teisinga tvarka, kad patektų į jus, būtų tokia maža, kad pastangos būtų beprasmės.
Tačiau tyrėjai parodė, kad skalė sumažėja, ir šansai pagerėja. Maždaug 5 nanometrų atstumu šis keistas kvantinis apynys taps dominuojančiu būdu perduoti šilumą per tuščią erdvę - pralenkti net elektromagnetinę spinduliuotę, anksčiau manyta, kad tai yra vienintelis būdas energijai pereiti vakuume.
Vis dėlto tie tyrėjai numatė, kad poveikis bus reikšmingas tik maždaug 10 nanometrų skalėje. Bet pamatyti ką nors 10 nanometrų skalėje yra sunku.
„Kai suprojektavome eksperimentą, supratome, kad to negalima lengvai padaryti“, - „Li Science“ pasakojo Li.
Net jei poveikis pasireiškia, erdvinė skalė yra tokia maža, kad nėra gero būdo ją įtikinamai išmatuoti. Norėdami atlikti pirmąjį tiesioginį šilumos, kertančios vakuumą, stebėjimą, UC Berkeley fizikai sugalvojo, kaip padidinti eksperimento kelią.
„Mes sukūrėme eksperimentą, kuriame naudojamos labai minkštos mechaninės membranos“, - tai reiškia, kad jie yra labai elastingi arba tamprios, sakė Li.
Anot jo, jei nukirpsite tvirtą plieninę gitaros stygą, vibracija bus daug mažesnė, nei jūs matytumėte, jei nugirsite elastingesnę tokio pat stiprumo nailono gitaros stygas. Tas pats nutiko nanoskalės eksperimente: Tos ypač elastingos membranos leido tyrėjams pamatyti mažus šilumos virpesius, kurių kitaip nebūtų buvę galima pamatyti. Atsargiai atšokdami nuo tų membranų, tyrėjai sugebėjo stebėti šilumos fononus, kertančius vis dar mažą tarpelį.
Li sakė, kad šis darbas gali būti naudingas tiek žmonėms, statantiems įprastus kompiuterius, tiek kvantinių kompiuterių dizaineriams.
Li sako, kad pagrindinė problema kuriant geresnius ir greitesnius mikroschemus yra išsiaiškinti, kaip išsklaidyti šilumą iš grandinių, sujungtų į mažas erdves.
„Mūsų išvados iš tikrųjų reiškia, kad jūs galite suprojektuoti vakuumą, kad išsklaidytų šilumą iš kompiuterio lustų ar nanoskalės prietaisų“, - sakė jis.
Jei norėtumėte sureguliuoti vakuumą tinkamai suformuodami jį tinkamomis medžiagomis, tolimoje ateityje jis gali efektyviau ištraukti šilumą iš lusto nei bet kuri esama terpė.
Tyrėjų naudojami metodai taip pat galėtų būti naudojami fononams - pačioms virpesiams - įspausti į skirtingas membranas. Tai susietų fononus kvantiniame lygyje tokiu pat būdu, kvantų fizikai jau susieja fotonus arba šviesos daleles, atskirtas erdvėje. Susieti fononai gali būti naudojami saugoti ir perduoti kvantinę informaciją, kad ji veiktų kaip hipotetinio kvantinio kompiuterio „mechaninės kvotos“. O kai jis atvės, pasak jo, fononai turėtų būti dar efektyvesni ilgalaikiam duomenų saugojimui nei tradiciniai kvitai.
