Когато докоснете гореща повърхност, усещате движение. Ако притиснете ръка към чаша чай, топлината се разпространява през пръстите ви. Това е усещането, че милиарди атоми блъскат заедно. Малките вибрации пренасят топлинна енергия от водата към халбата и след това в кожата ви, когато една молекула се промъкне в следващата, изпращайки я на екрана в трета - и така нататък по линията.
Топлината също може да преминава в пространството като вълни от радиация, но без радиация, то се нуждае от неща, за да премине през тях - молекули, за да нахлуят в други молекули. Вакуумите нямат "неща" в тях, така че те са склонни да улавят топлината. В земната орбита, например, едно от най-големите инженерни предизвикателства е да измислим как да охлаждаме ракетен кораб.
Но сега изследователите са показали, че в микроскопични мащаби това не е наистина вярно. В нов документ, публикуван на 11 декември в списанието Nature, физиците показаха, че малките вибрации на топлината могат да преминат стотици нанометри празно пространство. Техният експеримент използваше необичайна характеристика на квантовия вакуум: Той всъщност не е празен.
„Показахме, че два обекта са в състояние да„ разговарят “помежду си през празно пространство от, например, стотици нанометри“, казва Хао-Кун Ли, съосновател на изследването. Ли е физик в Станфордския университет, който е работил върху това изследване, докато е бил докторант в Калифорнийския университет, Бъркли.
Стотици нанометри е безкрайно малко пространство в човешки план - няколко хилядни от милиметъра или малко по-голямо от типичния вирус. Но това все още е твърде голяма празнина за преминаване на топлина, поне според простите модели на топлопредаване.
През 2011 г. изследователите започнаха да спекулират, че самият квантов вакуум може да бъде в състояние да понесе молекулярните вибрации на топлината. Документ, публикуван в списанието Applied Physics Letters, посочва, че в квантовата физика под вакуум се разбира място, което се търкаля с енергия. Случайни колебания на материята и енергията се появяват и след това изчезват, обикновено при мащаби, много по-малки, отколкото хората могат да си представят.
Тези колебания са хаотични и непредсказуеми. Но те биха могли да действат като стъпални камъни, които да носят вълна от топлина - под формата на квантово възбуждане, известна като фонон - през една пропаст. Ако бяхте фонон, за да преодолеете широка пропаст от, да речем, няколко сантиметра, шансовете за правилните колебания, които се случват в правилния ред, за да ви пресекат, биха били толкова ниски, че начинанието да е безсмислено.
Но свийте мащаба, показаха изследователите и шансовете се подобряват. На около 5 нанометра този странен квантов скачак ще се превърне в доминиращ начин за пренасяне на топлина през празно пространство - изпреварвайки дори електромагнитното излъчване, смятано по-рано, че е единственият начин енергията да премине вакуум.
Все пак тези изследователи предвиждаха, че ефектът ще бъде значителен само до мащаб от около 10 нанометра. Но да видите нещо в 10-нанометрова скала е трудно.
"Когато проектирахме експеримента, разбрахме, че това не може лесно да се направи", каза Ли пред Live Science.
Дори и ефектът да се случи, пространствената скала е толкова малка, че няма добър начин да се измери окончателно. За да направят първото директно наблюдение на топлината, пресичаща вакуум, физиците от UC Berkeley измислиха как да увеличат мащаба на експеримента.
"Ние проектирахме експеримент, който използва много меки механични мембрани", което означава, че те са много еластични или еластични, каза Ли.
Ако скубнете твърда стоманена китарна струна, обясни той, получените вибрации ще бъдат много по-малки от тези, които бихте виждали, ако изтръгнете по-еластична найлонова китарна струна със същата сила. Същото нещо се случи и с наноразмер в експеримента: Тези ултраеластични мембрани позволиха на изследователите да видят дребни топлинни вибрации, които иначе нямаше да бъдат видими. Чрез внимателно отскачане на светлина от тези мембрани, изследователите успяха да наблюдават фонони на топлина, пресичащи все още минусната пропаст.
Според Ли, тази работа може да се окаже полезна - както за хора, изграждащи обикновени компютри, така и за квантово-компютърни дизайнери.
Основен проблем при изграждането на по-добри и по-бързи микрочипове е намирането на начин за разпръскване на топлината от вериги, групирани в малки пространства, каза Ли.
„Нашето заключение всъщност предполага, че можете да инжектирате вакуума, за да разсеете топлината от компютърните чипове или наноразмерните устройства“, каза той.
Ако трябва да настроите вакуума, като го оформите правилно с подходящите материали, той може - далеч в бъдеще - да стане по-ефективен при извличане на топлина от чип, отколкото всеки съществуващ носител, каза той.
Техниките, които изследователите използват, също могат да бъдат използвани за заплитане на фононите - самите вибрации - в различни мембрани. Това би свързвало фононите на квантово ниво по същия начин, както квантовите физици вече свързват фотони, или светлинни частици, които са разделени в пространството. Веднъж свързани, фононите могат да бъдат използвани за съхраняване и прехвърляне на квантова информация, за да функционират като "механични кубити" на хипотетичен квантов компютър. И след като изстинат, каза той, фононите трябва да бъдат дори по-ефективни при дългосрочно съхранение на данни от традиционните кубити.
