Po dotknięciu gorącej powierzchni odczuwasz ruch. Jeśli przyłożysz dłoń do kubka herbaty, ciepło rozchodzi się po palcach. To wrażenie, że miliardy atomów zderzają się ze sobą. Małe wibracje przenoszą energię cieplną z wody do kubka, a następnie do skóry, gdy jedna molekuła puka do następnej, przenosząc ją w trzecią - i tak dalej.
Ciepło może również przenikać przestrzeń jako fale promieniowania, ale bez promieniowania potrzebuje czegoś, przez co przechodzi - cząsteczek, by uderzyć w inne cząsteczki. Odkurzacze nie mają w sobie żadnych „rzeczy”, więc mają tendencję do zatrzymywania ciepła. Na przykład na orbicie Ziemi jednym z największych wyzwań inżynieryjnych jest znalezienie sposobu na schłodzenie statku rakietowego.
Ale teraz naukowcy wykazali, że w skali mikroskopowej tak naprawdę nie jest to prawdą. W nowym artykule opublikowanym 11 grudnia w czasopiśmie Nature fizycy wykazali, że niewielkie wibracje ciepła mogą przekraczać setki nanometrów pustej przestrzeni. W ich eksperymencie wykorzystano niesamowitą cechę próżni kwantowej: wcale nie jest tak naprawdę pusta.
„Wykazaliśmy, że dwa obiekty są w stanie„ rozmawiać ”ze sobą w pustej przestrzeni, na przykład setek nanometrów”, powiedział Hao-Kun Li, współautor badań. Li jest fizykiem z Uniwersytetu Stanforda, który pracował nad tymi badaniami, gdy był doktorantem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
Setki nanometrów to nieskończenie mała ludzka przestrzeń - kilka tysięcznych milimetra lub nieco większa niż typowy wirus. Ale wciąż jest to zbyt duża szczelina, aby ciepło mogło przejść, przynajmniej zgodnie z prostymi modelami wymiany ciepła.
W 2011 r. Naukowcy zaczęli spekulować, że sama próżnia kwantowa może być w stanie przenosić molekularne wibracje ciepła. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Applied Physics Letters wskazano, że w fizyce kwantowej próżnia jest rozumiana jako miejsce rojące się od energii. Pojawiają się przypadkowe fluktuacje materii i energii, a następnie zanikają, ogólnie w skalach znacznie mniejszych, niż ludzie mogą sobie wyobrazić.
Te fluktuacje są chaotyczne i nieprzewidywalne. Mogą jednak działać jak kamienie przejściowe, które przenoszą falę ciepła - w postaci wzbudzenia kwantowego znanego jako fonon - przez szczelinę. Gdybyście byli fononami, którzy zamierzali przekroczyć szeroką, powiedzmy, kilka cali szczelinę, szanse na właściwe fluktuacje zachodzące we właściwej kolejności, aby was pokonać, byłyby tak niskie, że przedsięwzięcie byłoby bezcelowe.
Ale naukowcy wykazali, że zmniejszają skalę, a szanse rosną. Przy około 5 nanometrach ten dziwny kwantowy klasyk stałby się dominującym sposobem przekazywania ciepła przez pustą przestrzeń - wyprzedzając nawet promieniowanie elektromagnetyczne, wcześniej uważany za jedyny sposób, aby energia przekroczyła próżnię.
Mimo to naukowcy przewidzieli, że efekt będzie znaczący tylko do skali około 10 nanometrów. Ale zobaczenie czegokolwiek w skali 10 nanometrów jest trudne.
„Kiedy zaprojektowaliśmy eksperyment, zdaliśmy sobie sprawę, że nie można tego łatwo zrobić”, powiedział Li Live Live.
Nawet jeśli efekt się zdarzy, skala przestrzenna jest tak mała, że nie ma dobrego sposobu na jej ostateczne zmierzenie. Aby uzyskać pierwszą bezpośrednią obserwację ciepła przechodzącego przez próżnię, fizycy z UC Berkeley wymyślili, jak zwiększyć skalę eksperymentu w górę.
„Zaprojektowaliśmy eksperyment, w którym zastosowano bardzo miękkie membrany mechaniczne”, co oznacza, że są one bardzo elastyczne lub rozciągliwe, powiedziała Li.
Wyjaśnił, że jeśli poderwiesz sztywną strunę gitary ze stali, powstałe wibracje będą znacznie mniejsze niż te, które zobaczysz, jeśli podciągniesz bardziej elastyczny strun gitary nylonowej o tej samej sile. To samo stało się w nanoskali w eksperymencie: te ultraelastyczne membrany pozwoliły naukowcom zobaczyć drobne wibracje cieplne, które w innym przypadku nie byłyby widoczne. Ostrożnie odbijając światło od tych błon, badacze byli w stanie zaobserwować fonony ciepła przechodzące przez wciąż niewielką szczelinę.
W dalszej części, Li powiedział, praca ta może okazać się przydatna - zarówno dla osób budujących zwykłe komputery, jak i dla projektantów komputerów kwantowych.
Kluczowym problemem w budowaniu lepszych i szybszych mikroczipów jest zastanawianie się, jak rozproszyć ciepło z obwodów skupionych w małych przestrzeniach, powiedziała Li.
„Nasze odkrycie sugeruje, że można zaprojektować próżnię, aby rozpraszać ciepło z układów komputerowych lub urządzeń w nanoskali” - powiedział.
Powiedział, że jeśli dostroisz próżnię, odpowiednio kształtując ją za pomocą odpowiednich materiałów, może - w przyszłości - stać się bardziej skutecznym w usuwaniu ciepła z chipa niż jakiekolwiek istniejące medium.
Techniki zastosowane przez naukowców można również wykorzystać do uwikłania fononów - samych wibracji - w różne błony. Łączyłoby to fonony na poziomie kwantowym w taki sam sposób, w jaki fizycy kwantowi łączą już fotony lub lekkie cząstki, które są oddzielone w przestrzeni. Po połączeniu fonony można wykorzystać do przechowywania i przesyłania informacji kwantowej, aby funkcjonować jako „kubity mechaniczne” hipotetycznego komputera kwantowego. Po ochłodzeniu powiedział, że fonony powinny być jeszcze bardziej wydajne przy długoterminowym przechowywaniu danych niż tradycyjne kubity.
