Наномасштабні експерименти показують, що два об'єкти можуть обмінюватися теплом через порожній простір без необхідності випромінювання завдяки квантовим коливанням.
Новий механізм використовує квантові коливання (постійний вигляд і зникнення віртуальних частинок) для передачі теплової енергії через фонони через порожній простір. [alex_west/iStock]
Більшість дітей дуже рано дізнаються, що вони можуть обпектись, торкнувшись гарячої печі або навіть наблизившись до вогню. Незалежно від того, чи вони потрапляють під прямий контакт, чи через промені світла, що поширюються у просторі, уроки з передачі тепла настільки ж інтуїтивні (і часто болючі), як і незабутні. Але вчені щойно розкрили дивовижний новий спосіб переміщення тепла між двома точками. Завдяки дивним квантовим властивостям порожнього простору тепло може переходити з одного місця в інше без допомоги світла. Знахідка була опублікована 11 грудня в журналі Nature.
Взагалі кажучи, тепло - це енергія, пов'язана з рухом частинок: чим швидше вони рухаються, тим вони гарячіші. У космічних масштабах майже весь тепловіддача відбувається через порожній простір за допомогою фотонів (частинок світла), що випромінюються зірками: саме так Сонце нагріває нашу планету, незважаючи на те, що воно знаходиться на відстані приблизно 150 мільйонів кілометрів. Тут, на Землі, потік тепла часто виробляється більш тісно, безпосереднім контактом між двома матеріалами та за допомогою колективних коливань атомів, основні одиниці або кванти яких називаються "фононами".
Довгий час вважалося, що фонони не можуть передавати теплову енергію через порожній простір: їм потрібні два об'єкти, які контактували або, принаймні, з'єднувались відповідним середовищем, таким як повітря. Цим принципом користуються термоси, щоб зберегти вміст гарячим або холодним: вони використовують стінку, яка закриває вакуум, щоб ізолювати внутрішній контейнер. Однак вчені роками припускають, що фонони можуть передавати тепло через вакуум, заманене дивним наслідком квантової механіки: тим фактом, що космос ніколи не може бути по-справжньому порожнім.
Згідно з квантовою механікою, Всесвіт за своєю суттю невизначений: наприклад, як би ми не старались, ми ніколи не можемо вказати як положення, так і імпульс субатомної частинки. В результаті цієї невизначеності вакуум кишить квантовими коливаннями, віртуальними частинками, які постійно створюються та руйнуються. "Вакуум ніколи не буває повністю порожнім", - говорить Сян Чжан, фізик з Каліфорнійського університету в Берклі, провідний автор нового дослідження про тепловіддачу з використанням фононів.
Вчені виявили десятиліття тому, що віртуальні частинки - це не просто теоретичні можливості, а можуть генерувати виявляються сили. Наприклад, ефект Казимира - це сила привабливості, що спостерігається між певними сусідніми об’єктами, наприклад, двома дзеркалами, розташованими у вакуумі на дуже короткій відстані один від одного. Ці відбивні поверхні рухаються за рахунок сили, що генерується віртуальними фотонами, які постійно з’являються та зникають.
Якби такі короткочасні квантові коливання могли породити реальні сили, думали теоретики, можливо, вони також були б здатні передавати тепло без теплового випромінювання. Щоб наочно уявити, як може відбуватися нагрівання на основі фононів за допомогою квантових коливань, уявіть два об’єкти при різних температурах, розділених вакуумом. Фонони від більш гарячого об'єкта можуть передавати теплову енергію віртуальним фотонам з вакууму, які потім передаватимуть їх на більш холодний об'єкт. Якщо обидва об'єкти в основному є сукупністю коливальних атомів, віртуальні частинки можуть діяти як пружини, що переносять коливання від одного до іншого.
Питання про те, чи можуть квантові коливання допомогти фононам передавати тепло через вакуум, "є предметом дискусій серед теоретиків близько десятиліття", говорить Джон Пендрі, фізик Імперського коледжу Лондона, який не брав участі у дослідженні. Нове дослідження. "Часом оцінки сили ефекту дуже різняться, оскільки розрахунки досить складні".
Загалом, ці попередні дослідження припускали, що явище можна спостерігати лише між об'єктами, розділеними щонайменше на кілька нанометрів (мільярдні частки метра), пояснює Пендрі. На таких хвилинних відстанях, додає він, електричні взаємодії між об'єктами або іншими явищами на наномасштабі можуть замаскувати цей ефект фононів, ускладнюючи їх виявлення.
Чжан та його колеги наполегливо працювали чотири роки, щоб вирішити цю проблему. Вони розробляли та вдосконалювали експерименти методом спроб і помилок, щоб мати можливість спостерігати теплопередачу фононами у вакуумі на більшій відстані, до сотень нанометрів.
Для цього вони використовували дві мембрани нітриду кремнію, кожна товщиною близько 100 нанометрів. Надзвичайна тонкість і легкість цих лез полегшує визначення того, чи впливає енергія одного з них на рухи іншого. Вібрації атомів мембран згинають їх вперед-назад, з частотою, яка залежить від їх температури.
Команда Чжана зрозуміла, що якби аркуші були однакового розміру, але при різній температурі, вони будуть струшуватися з різною частотою. З огляду на це, вчені відкоригували розміри мембран таким чином, що, хоча їх початкові температури (13,85 і 39,35 градусів Цельсія) не збігалися, вони обидва вібрували приблизно 191600 разів на секунду. Коли два об'єкти мають однакову частоту, вони, як правило, "резонують" і дуже ефективно обмінюються енергією. Відомий приклад цього резонансного явища трапляється, коли оперному співакові вдається вдарити потрібну ноту, щоб розбити келих шампанського.
Крім того, дослідникам довелося переконатись, що мембрани майже ідеально паралельні одна одній (з точністю до декількох нанометрів), що є важливим фактором для того, щоб мати змогу точно виміряти сили, які вони можуть чинити один на одного. Вони також забезпечили, щоб мембрани були надзвичайно гладкими, коливання поверхні не перевищували 1,5 нанометра.
Листи були прикріплені до поверхні всередині вакуумної камери, і одна з них була підключена до нагрівача, а інша - до холодильника. Обидві мембрани, покриті дуже тонким шаром золота, щоб зробити їх відбиваючими, опромінювали лазерними променями малої потужності для виявлення їх коливань і, отже, температури. Випробування за випробуванням, вчені виявили, що мембрани не обмінювались теплом через поверхню, на якій вони були прикріплені, або через будь-яке випромінювання видимого світла або іншого електромагнітного випромінювання.
"Цей експеримент змусив нас дуже точно контролювати температуру, відстань і вирівнювання", - говорить Чжан. “Одного разу, влітку, у нас були проблеми з цим, оскільки висока температура навколишнього середовища нагрівала лабораторію. Окрім того, для проведення самого вимірювання потрібен тривалий час, оскільки вам доведеться усунути шум: нам потрібні були чотири години, щоб отримати кожну з даних ".
Зрештою, Чжан та його співробітники виявили, що коли мембрани наближалися ближче 600 нанометрів, вони почали виявляти температурні зміни, які можна пояснити лише фононами та квантовими коливаннями. Нижче 400 нанометрів швидкість теплообміну була досить високою, щоб фольги були майже однаковими за температурою, що демонструє ефективність механізму.
Дослідники підрахували, що максимальна швидкість передачі фононів через вакуум становить приблизно 6,5 × 10 -21 джоулів в секунду. При такій швидкості передача енергії фотона видимого світла займе близько 50 секунд. Хоча ефект може здатися незначним, Чжан зауважує, що це все ще "новий механізм передачі тепла між об'єктами".
"Я радий бачити експериментальні дані, що підтверджують, що фонони можуть подолати щілину", - говорить Пендрі. "Це сенсаційний експеримент, і я б сказав, безпрецедентний".
В принципі, цей механізм може навіть допомогти зіркам нагріти свої планети. Однак, враховуючи відстані, про які ми говоримо, величина ефекту була б "надзвичайно малою", аж до зовсім незначної, говорить Чжан.
Якщо говорити ближче, висновок може дозволити інженерам краще управляти теплою в електронних компонентах, на яких базуються смартфони, ноутбуки та інші пристрої, оскільки вони стають все меншими та меншими. "Наприклад, на жорстких дисках магнітна головка для читання та запису рухається по поверхні диска на відстані всього три нанометра", - говорить Чжан. "На таких коротких відстанях ми очікуємо, що новий механізм теплопередачі відіграватиме важливу роль, тому його слід враховувати при проектуванні магнітних накопичувачів".
Чжан зазначає, що квантові коливання не просто створюють віртуальні фотони: існує багато інших типів віртуальних частинок, включаючи віртуальні гравітони (кванти гравітаційної енергії). "Дуже цікавим відкритим питанням є те, чи можуть квантові коливання в гравітаційних полях породити механізм теплопередачі, який є актуальним у космологічних масштабах", - підсумовує він.
Чарльз К. Чой
Довідково: "Передача тепла фононом через вакуум через квантові коливання", King Yan Fong et al. в Природа, вип. 576, с. 243-247, 11 грудня 2019 р.