Перенос тепла через вакуум: экспериментальное доказательство

В раннем возрасте большинство детей узнают, что прикосновение к горячей плите или даже нахождение рядом с ревущим огнем может обжечь их. Будь то через прямой контакт или через лучи света, проникающие сквозь пространство, часто болезненные уроки переноса тепла настолько же интуитивны, насколько незабываемы. Однако теперь ученые открыли еще один
способ, которым тепло может проложить свой путь из точки А в В. Благодаря странным квантово-механическим свойствам пустого пространства, тепло может перемещаться из одного места в другое без какого-либо света вообще.

Вообще говоря, тепло – это энергия, которая возникает в результате движения частиц: чем быстрее они движутся, тем они горячее. В космических масштабах большая часть теплопередачи через вакуум происходит через фотоны или частицы света, испускаемые звездами – так солнце нагревает нашу планету, несмотря на то, что она находится на расстоянии около 150 миллионов километров. Здесь, на Земле, тепловой источник часто более близок, и передача происходит через прямой контакт между материалами и поддерживается волнообразными коллективными колебаниями атомов, известными как фононы.

Долгое время считалось, что фононы не могут передавать тепловую энергию через пустое пространство; они требуют, чтобы два объекта касались или, по крайней мере, находились во взаимном контакте с подходящей средой, такой как воздух. Действие этого принципа можно заметить в том, как термосы сохраняют свое содержимое горячим или холодным: они используют тонкую прослойку с вакуумом в стенке колбы для изоляции внутренней камеры. Тем не менее, ученые годами размышляли о возможности передачи
фононами тепла через вакуум — под действием ошеломляющего факта, который диктует квантовая механика: пространство никогда не может быть по-настоящему пустым.

Квантовая механика предполагает, что Вселенная по своей природе нечеткая – например, как ни старайся, нельзя определить импульс и положение субатомной частицы одновременно. Следствием этой неопределенности является то, что вакуум никогда не бывает полностью пустым, а вместо этого гудит от квантовых флуктуаций – так называемых виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают. «Вакуум никогда не бывает полностью вакуумным», – говорит Сян Чжан, физик из Калифорнийского университета в Беркли и старший автор нового исследования по передаче фононного тепла, которое появилось в журнале “NAture” 11 декабря.

Десятилетия назад ученые обнаружили, что виртуальные частицы -это не просто теоретические объекты, они могли продуцировать силы, которые можно обнаружить. Например, эффект Казимира – это сила притяжения, возникающая между рядом расположенными объектами, такими как два зеркала, расположенные близко друг к другу в вакууме. Эти отражающие поверхности движутся из-за силы, генерируемой виртуальными фотонами.

Теоретики размышляли, что если эти эфемерные квантовые флуктуации могут привести к возникновению реальных сил,
возможно, они могли бы сделать и другие вещи, такие как передача тепла без теплового излучения. Чтобы представить, как может работать нагрев фононов с помощью квантовых флуктуаций, представьте два объекта с разными температурами, отделенных друг от друга вакуумом. Фононы в более теплом объекте могут передавать тепловую энергию виртуальным фотонам в вакууме, которые затем могут передавать такую ​​энергию более холодному
объекту. Если оба объекта представляют собой наборы движущихся атомов, виртуальные частицы могут действовать
как пружины, помогая переносить вибрации от одного к другому.

Вопрос о том, могут ли квантовые флуктуации действительно помочь фононам переносить тепло через вакуум, «обсуждался теоретиками в течение десятилетия или около того, иногда с сильно отличающимися оценками силы эффекта – вычисления довольно сложны», – говорит физик Джон. Пендри из Имперского колледжа Лондона, который не принимал участия в этом исследовании. В целом, эта предварительная работа предсказывала, что исследователи могли видеть эффект только между объектами, разделенными на несколько нанометров (миллиардных долей метра) или меньше, объясняет он. По словам Пендри, на таких крошечных расстояниях электрические взаимодействия или
другие наноразмерные явления между объектами могут легко скрыть этот фононный эффект, что затруднит его тестирование.

Чтобы справиться с этой задачей, Чжан и его коллеги потратили четыре года кропотливых проб и ошибок, создавая и совершенствуя эксперименты, чтобы увидеть, смогут ли они достичь фононной теплопередачи на большие расстояния в вакууме в масштабе сотен нанометров. Например, в экспериментах использовались две мембраны из нитрида кремния, каждая толщиной примерно 100 нанометров. Чрезвычайно тонкая и легкая природа этих листов позволяет легче увидеть, когда энергия одного влияет на движения другого. Вибрирующие атомы в листах заставляют каждую мембрану
изгибаться взад и вперед на частотах, которые зависят от их температуры.

По словам команды Чжана, если бы листы были одинакового размера, но разной температуры, они бы дрожали на разных
частотах. Имея в виду все эти детали, ученые разработали размеры мембран таким образом, чтобы, несмотря на то, что они начинались при разных температурах (13,85 и 39,35 градусов по Цельсию соответственно), они оба вибрировали примерно 191 600 раз в секунду. Два объекта, резонирующих на одной и той же частоте, имеют тенденцию эффективно обмениваться энергией – один хорошо известный пример резонанса можно увидеть, когда оперный певец нажимает на нужную ноту, чтобы заставить бокал шампанского резонировать и разбиваться.

Кроме того, исследователи позаботились о том, чтобы мембраны находились в пределах нескольких нанометров от идеальной параллельности друг другу, и все это помогало точно измерить силы, которые один может оказывать на другого. Они также позаботились о том, чтобы мембраны были чрезвычайно гладкими, с размерами поверхности не более 1,5 нанометров. Прикрепленный к поверхности в вакуумной камере, одна мембрана будет сопряжена с
нагревателем, а другая – с охладителем. Оба были бы покрыты тонким тонким слоем золота для отражения и купались в слабых лазерных лучах, чтобы обнаружить их колебания – и, следовательно, их температуру. В процессе за испытанием ученые проверили, чтобы мембраны не обменивались теплом через поверхность, на
которую они были закреплены, или через какое-либо излучение видимого света или другого электромагнитного излучения через вакуум.

«Этот эксперимент требовал очень чувствительного контроля температуры, расстояния и выравнивания», – говорит Чжан. «Однажды у нас были проблемы с проведением эксперимента летом из-за жаркой погоды, разогревающей лабораторию. Кроме того, само измерение занимает очень много времени для устранения шума – для каждой точки данных потребовалось четыре часа ».

В конце концов, Чжан и его коллеги обнаружили, что когда мембраны были разнесены на расстояние менее 600 нанометров, они начали демонстрировать необъяснимые в других случаях изменения температуры. Ниже 400 нанометров скорость теплообмена была достаточной для того, чтобы мембраны имели почти идентичную температуру, демонстрируя эффективность эффекта (или его отсутствие). Получив успешные результаты, исследователи смогли рассчитать максимальную скорость энергии, которую они видели, передаваемой фононами через вакуум: около 6,5 × 10–21 джоулей в секунду. При такой скорости потребуется около 50 секунд, чтобы передать количество энергии в одном фотоне видимого света. Эта цифра может показаться ничтожной, но Чжан отмечает, что она по-прежнему представляет собой «новый механизм передачи тепла между объектами».

«Хорошо видеть некоторые экспериментальные данные, подтверждающие, что фононы могут преодолеть разрыв», –
говорит Пендри. «Это отличный эксперимент – я считаю, что это первый».

В принципе, звезды могут даже нагревать свои планеты через этот новый механизм. Однако, учитывая задействованные расстояния, величина этого эффекта будет «чрезвычайно мала», по существу, до такой степени, что, по словам Чжан, будет совершенно незначительной.

Ближе к дому, поскольку электроники во всем, от смартфонов до ноутбуков, становится все меньше, эти результаты
могут позволить инженерам лучше управлять теплом в наноразмерных технологиях. «Например, в жестких дисках магнитная головка для чтения / записи перемещается над поверхностью диска с разнесением всего в три нанометра», – говорит
Чжан. «На таком коротком расстоянии новый эффект теплопередачи, как ожидается, будет играть важную роль, и поэтому
его следует учитывать при разработке магнитных записывающих устройств».

Чжан отмечает, что квантовые флуктуации включают не только виртуальные фотоны. Существует много других видов
виртуальных частиц, включая виртуальные гравитоны или пакеты гравитационной энергии. «Могут ли квантовые флуктуации гравитационных полей вызвать механизм теплопередачи, который играет роль в космологических масштабах, – это интересный открытый вопрос», – говорит Чжан.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *