Передача тепловой энергий через пустое пространство, ранее казавшееся невозможным в последнее время находит этому подтверждение. В новом исследовании ученые Калифорнийского университета показывают, что тепловая энергия может проходить через полный вакуум благодаря невидимым квантовым колебаниям. В ходе эксперимента группа поместила две мембраны из нитрида кремния покрытые золотом на расстоянии нескольких сотен нанометров друг от друга внутри вакуумной камеры. Когда они нагрели одну из мембран, другая тоже нагрелась, даже несмотря на то, что между ними ничего не было.
Если вы используете вакуумно-изолированный термос, чтобы сохранить кофе горячим, вы знаете, что это хороший изолятор, потому что тепловая энергия плохо проходит через пустое пространство. Вибрации атомов или молекул, которые переносят тепловую энергию, просто не могут перемещаться, если вокруг нет других атомов или молекул.
Но новая работа ученых из Калифорнийского университета в Беркли показывает, как квантовая запутанность может перевернуть с ног на голову даже этот базовый тезис классической физики.
Исследование, появившееся на этой неделе в журнале Nature, показывает, что тепловая энергия может передаваться на расстояние несколько сотен нанометров в полном вакууме, благодаря квантовому явлению, которое называется взаимодействия Казимира.
Хотя это взаимодействие оказывает влияние только на очень маленьких расстояниях, оно может иметь глубокие последствия для создания компьютерных чипов и других наноразмерных электронных компонентов, где рассеивание тепла является основной проблемой. Это также меняет наши знания о теплопередаче, который мы получили из школьного курса физики.
Передача тепловой энергий в любой среде происходит посредством колебаний атомов или молекул, или так называемых фононов. Но в вакууме нет никакой среды. Поэтому в течение многих лет учебники говорили нам, что фононы не могут проходить через вакуум.
Открытие нового механизма теплопередачи открывает беспрецедентные возможности для терморегулирования в наномасштабе, что важно для высокоскоростных вычислений и хранения данных. Теперь может быть создан квантовый вакуум для выделения тепла в интегральных схемах.
Передача тепловой энергии и пустое пространство.
Казавшиеся ранее невозможными перемещения молекулярных колебаний через вакуум, могут происходить, потому что в квантовом мире, нет такого понятия, как абсолютное пустое пространство. Даже если рассматривать, казалось бы, пустое пространство, то оно все равно не может быть по-настоящему пустым. В нем присутствуют, так называемые квантовые колебания поля.
Эти колебания порождают силу, которая соединяет два объекта. Это и называется взаимодействием Казимира. Таким образом, когда один объект нагревается и начинает колебаться, эти движения могут передаваться другому объекту через вакуум из-за этих квантовых колебаний.
Хотя теоретики уже давно считают, что взаимодействие Казимира помогает молекулярным вибрациям пройти через пустое пространство, доказать это экспериментально было большой проблемой.
Обнаружено, что, тщательно выбирая размер и конструкцию мембран, можно передавать тепловую энергию на расстояние нескольких сотен нанометров. Этого расстояние достаточно, чтобы исключить влияние других возможных режимов теплопередачи, таких как энергия, переносимая электромагнитным излучением.
Поскольку молекулярные вибрации также являются основой звуков, которые мы слышим, то это открытие намекает, что звуки могут также проходить через вакуум.