Експериментите с наномащаб показват, че два обекта могат да обменят топлина през празното пространство без нужда от радиация, благодарение на квантовите колебания.
Новият механизъм използва квантови колебания (непрекъснатото появяване и изчезване на виртуални частици) за предаване на топлинна енергия през фонони през празното пространство. [alex_west/iStock]
Повечето деца научават много рано, че могат да изгорят, ако докоснат гореща печка или дори се доближат твърде много до огън. Независимо дали те идват чрез директен контакт или чрез лъчи светлина, разпространяващи се в пространството, уроците по пренос на топлина са толкова интуитивни (и често болезнени), колкото и незабравими. Но учените току-що разкриха изненадващ нов начин, по който топлината може да се движи между две точки. Благодарение на странните квантови свойства на празното пространство, топлината може да пътува от едно място на друго без помощта на светлина. Констатацията е публикувана на 11 декември в списание Nature.
Най-общо казано, топлината е енергията, свързана с движението на частиците: колкото по-бързо се движат те, толкова по-горещи са. В космически мащаби почти цялото пренасяне на топлина става през празно пространство, посредством фотони (светлинни частици), излъчвани от звездите: така Слънцето загрява нашата планета, въпреки че е на около 150 милиона километра разстояние. Тук на Земята потокът от топлина често се произвежда по-интимно, чрез директен контакт между два материала и с помощта на колективните вибрации на атомите, чиито основни единици или кванти се наричат „фонони“.
Дълго време се смяташе, че фононите не могат да пренасят топлинна енергия през празно пространство: те се нуждаят от два обекта, които са в контакт или поне са свързани с подходяща среда като въздух. Този принцип се възползва от термосите, за да запази съдържанието си горещо или студено: те използват стена, която затваря вакуум, за да изолират вътрешен контейнер. Учените обаче години наред предполагат, че фононите могат да предават топлина през вакуум, съблазнен от странно следствие от квантовата механика: фактът, че пространството никога не може да бъде наистина празно.
Според квантовата механика Вселената по своята същност е неопределена: например, колкото и да се опитваме, никога не можем да определим както позицията, така и инерцията на субатомната частица. В резултат на тази несигурност, вакуумът е пълен с квантови колебания, виртуални частици, които постоянно се създават и унищожават. „Вакуумът никога не е напълно празен“, потвърждава Ксиан Джанг, физик от Калифорнийския университет в Бъркли и водещ автор на новото изследване за фононния топлопренос.
Учените откриха преди десетилетия, че виртуалните частици са не просто теоретични възможности, но могат да генерират откриваеми сили. Например ефектът на Казимир е привлекателна сила, наблюдавана между определени близки обекти, като две огледала, разположени във вакуум на много малко разстояние един от друг. Тези отразяващи повърхности се движат поради силата, генерирана от виртуални фотони, които непрекъснато се появяват и изчезват.
Ако такива краткотрайни квантови колебания биха могли да доведат до реални сили, разсъждаваха теоретиците, може би те също биха били способни да предават топлина без топлинно излъчване. За да визуализирате как може да възникне това фононно нагряване, подпомогнато от квантови колебания, представете си два обекта при различни температури, разделени от вакуум. Фононите от по-горещия обект биха могли да предадат топлинна енергия на виртуални фотони от вакуума, който след това да го прехвърли към по-хладния обект. Ако и двата обекта са основно колекции от трептящи атоми, виртуалните частици биха могли да действат като пружини, които носят вибрациите от единия към другия.
Въпросът дали квантовите колебания биха могли да помогнат на фононите да пренасят топлина през вакуум "е предмет на дебат сред теоретиците от около десетилетие", казва Джон Пендри, физик от Империал Колидж в Лондон, който не е участвал в изследването. "Понякога оценките за силата на ефекта варират изключително много, тъй като изчисленията са доста сложни."
Като цяло тези предишни изследвания предполагат, че явлението може да се наблюдава само между обекти, разделени с най-много няколко нанометра (милиардни части от метър), обяснява Пендри. На такива малки разстояния, добавя той, електрическите взаимодействия между обекти или други явления в нано-мащаба могат да прикрият този ефект на фононите, което прави тяхното откриване много трудно.
Джанг и колегите му са работили усилено в продължение на четири години, за да разрешат този проблем. Те са проектирали и усъвършенствали експерименти чрез проби и грешки, за да могат да наблюдават пренос на топлина от фонони във вакуум на по-големи разстояния, до стотици нанометри.
Те използваха две мембрани от силициев нитрид, всяка с дебелина около 100 нанометра. Изключителната тънкост и лекота на тези остриета улеснява определянето дали енергията на единия от тях влияе върху движенията на другия. Вибрациите на атомите на мембраните ги огъват напред-назад, с честота, която зависи от тяхната температура.
Екипът на Джанг осъзна, че ако чаршафите са с еднакъв размер, но при различни температури, те ще се разклатят при различни честоти. Имайки това предвид, учените коригираха размерите на мембраните, така че въпреки че първоначалните им температури (13,85 и 39,35 градуса по Целзий) не съвпаднаха, и двамата вибрираха около 191 600 пъти в секунда. Когато два обекта споделят една и съща честота, те са склонни да „резонират“ и да обменят енергия много ефективно. Добре известен пример за този резонансен феномен се случва, когато оперна певица успее да удари правилната нота, за да направи чаша шампанско да се счупи.
Освен това изследователите трябваше да се уверят, че мембраните са почти идеално успоредни една на друга (с точност от няколко нанометра), нещо съществено, за да могат да измерват точно силите, които могат да упражнят една върху друга. Те също така гарантираха, че мембраните са изключително гладки, с вариации на повърхността, които не надвишават 1,5 нанометра.
Листовете бяха прикрепени към повърхност във вакуумна камера и единият беше свързан към нагревател, а другият към хладилник. И двете мембрани, покрити с много тънък слой злато, за да ги направят отразяващи, бяха облъчени с лазери с малка мощност, за да открият техните трептения и, следователно, тяхната температура. Проба след проба, учените установиха, че мембраните не обменят топлина през повърхността, върху която са прикрепени, или чрез някакво излъчване на видима светлина или друго електромагнитно излъчване.
„Този експеримент ни принуди много точно да контролираме температурата, разстоянието и подравняването“, казва Джанг. „Веднъж, през лятото, имахме проблеми с това, защото високите температури на околната среда накараха лабораторията да се нажежи. Освен това отнема много време за самото измерване, защото трябва да премахнете шума: отне ни четири часа, за да получим всяка от данните. "
В крайна сметка Джанг и колегите му установяват, че когато мембраните се приближат по-близо от 600 нанометра, те започват да показват температурни промени, които могат да бъдат обяснени само от фонони и квантови колебания. Под 400 нанометра, скоростта на топлообмен беше достатъчно висока, че фолиото беше почти идентично по температура, демонстрирайки ефективността на механизма.
Изследователите изчисляват, че максималната скорост на енергия, която фононите предават през вакуум, е около 6,5 × 10 -21 джаула в секунда. При тази скорост ще отнеме около 50 секунди, за да прехвърли енергията на фотон от видима светлина. Въпреки че ефектът може да изглежда незначителен, Джанг отбелязва, че той все още е "нов механизъм за пренос на топлина между обектите".
„Радвам се да видя експериментални данни, потвърждаващи, че фононите могат да преодолеят процепа [на процепа]“, казва Пендри. "Това е сензационен експеримент и бих казал безпрецедентен."
По принцип този механизъм може дори да помогне на звездите да затоплят своите планети. Като се имат предвид обаче разстоянията, за които говорим, величината на ефекта би била „изключително малка“, до степен да бъде напълно незначителна, казва Джанг.
В по-близък ключ, откритието може да позволи на инженерите да управляват по-добре топлината в електронните компоненти, на които се базират смартфоните, лаптопите и други устройства, тъй като те стават все по-малки и по-малки. „Например в твърдите дискове магнитната глава за четене и писане се движи по повърхността на диска на разстояние само три нанометра“, казва Джанг. „На такива къси разстояния очакваме новият механизъм за пренос на топлина да играе важна роля, така че той трябва да се вземе предвид при проектирането на магнитни устройства за съхранение.“
Джанг отбелязва, че квантовите флуктуации не произвеждат само виртуални фотони: има много други видове виртуални частици, включително виртуални гравитони (кванти на гравитационната енергия). "Много интересен отворен въпрос е дали квантовите колебания в гравитационните полета могат да доведат до механизъм за пренос на топлина, който е от значение за космологичните мащаби", заключава той.
Чарлз К. Чой
Справка: "Фононен топлопренос през вакуум чрез квантови колебания", King Yan Fong et al. в Природа, кн. 576, стр. 243-247, 11 декември 2019 г.