Коли ви торкаєтесь гарячої поверхні, ви відчуваєте рух. Якщо ти притиснеш руку до кухоль чаю, тепло поширюється крізь пальці. Це відчуття мільярдів атомів, що стукають разом. Крихітні вібрації передають теплову енергію від води до кухоль, а потім у вашу шкіру, коли одна молекула забивається в іншу, пересилаючи її в третю частину - і так далі вниз по лінії.
Тепло також може перетинати простір у вигляді хвиль випромінювання, але без випромінювання йому потрібні речі для проходження - молекули, щоб потрапити в інші молекули. У вакуумах немає «штучок» у них, тому вони, як правило, захоплюють тепло. Наприклад, на орбіті Землі однією з найбільших інженерних проблем є з'ясування способу охолодження ракетного корабля.
Але зараз дослідники довели, що в мікроскопічних масштабах це насправді не так. У новій статті, опублікованій 11 грудня в журналі Nature, фізики показали, що невеликі коливання тепла можуть перетнути сотні нанометрів порожнього простору. Їх експеримент використовував надзвичайну особливість квантового вакууму: він насправді не порожній.
"Ми показали, що два об'єкти здатні" розмовляти "один з одним через порожній простір, наприклад, сотень нанометрів", - сказав Хао-Кун Лі, співавтор дослідження дослідження. Лі - фізик університету Стенфорда, який працював над цим дослідженням, будучи докторантом Каліфорнійського університету в Берклі.
Сотні нанометрів - це нескінченно малий простір в людському відношенні - кілька тисяч частин міліметра, або трохи більше, ніж типовий вірус. Але це все ще занадто великий проміжок для переходу тепла, принаймні відповідно до простих моделей передачі тепла.
У 2011 році дослідники почали міркувати, що сам квантовий вакуум може переносити молекулярні коливання тепла. У статті, опублікованій у журналі Applied Physics Letters, вказувалося, що у квантовій фізиці під вакуумом розуміють місце, що котиться енергією. Випадкові коливання речовини і енергії спливають, а потім зникають, як правило, в масштабах, набагато менших, ніж люди можуть собі уявити.
Ці коливання хаотичні та непередбачувані. Але вони можуть діяти, як крокові камені, щоб перенести хвилю тепла - у вигляді квантового збудження, відомого як фонон - через проміжок. Якби ви були фононом, який мав намір перетнути широкий проміжок, скажімо, на кілька сантиметрів, шанси на правильні коливання, що відбуваються у правильному порядку, щоб перейти вас, були б настільки низькими, що починання було б безглуздим.
Але зменшити масштаб, показали дослідники, і шанси покращуються. Приблизно на 5 нанометрів цей дивний квантовий гонщик став би домінуючим способом передачі тепла через порожній простір - випереджаючи навіть електромагнітне випромінювання, раніше вважалося єдиним способом переходу енергії у вакуум.
Тим не менше, ці дослідники прогнозували, що ефект буде значним лише до масштабу приблизно 10 нанометрів. Але побачити що-небудь у 10-нанометровій шкалі складно.
"Коли ми розробили експеримент, ми зрозуміли, що цього неможливо зробити легко", - сказав Лі Живій науці.
Навіть якщо ефект трапиться, просторова шкала настільки мала, що немає жодного хорошого способу її остаточного вимірювання. Щоб здійснити перше безпосереднє спостереження за теплом, що перетинає вакуум, фізики UC Berkeley з'ясували, як розширити експеримент.
"Ми розробили експеримент, в якому використовуються дуже м'які механічні мембрани", це означає, що вони дуже еластичні або еластичні, сказав Лі.
Якщо ви вирвете жорстку сталеву гітарну струну, пояснив він, отримані коливання будуть набагато меншими, ніж ті, які ви побачили, якби ви вирвали більш еластичну нейлонову гітарну струну з однаковою силою. Те ж саме сталося і на нанорозмірному експерименті: ці ультраеластичні мембрани дозволили дослідникам бачити крихітні теплові коливання, які інакше не були б видні. Обережно відбиваючи світло від цих мембран, дослідники змогли спостерігати фонони тепла, що перетинають ще невисокий проміжок.
Лі, сказав Лі, ця робота може виявитися корисною - як для людей, що будують звичайні комп'ютери, так і для квантово-комп'ютерних дизайнерів.
Ключова проблема у створенні кращих та швидших мікрочіпів - це з'ясування того, як розподілити тепло від ланцюгів, згрупованих у крихітні простори, сказав Лі.
"Наше висновок насправді означає, що ви могли б створити вакуум для розсіювання тепла від комп'ютерних мікросхем або нанорозмірних пристроїв", - сказав він.
Якби ви налаштували вакуум, правильно сформувавши його з потрібними матеріалами, він може - далеко в майбутньому - стати ефективнішим для витягування тепла з мікросхеми, ніж будь-який існуючий носій, сказав він.
Методи, які використовували дослідники, також можуть використовуватися для переплутування фононів - самих коливань - на різних мембранах. Це пов'язувало б фонони на квантовому рівні так само, як квантові фізики вже пов'язують фотони, або світлові частинки, які розділені в просторі. Після з'єднання фонони можуть бути використані для зберігання та передачі квантової інформації, щоб функціонувати як "механічні кубіти" гіпотетичного квантового комп'ютера. Після того, як він охолоне, за його словами, фонони повинні бути навіть ефективнішими при тривалому зберіганні даних, ніж традиційні кубіти.
