Keď sa dotknete horúceho povrchu, cítite pohyb. Ak stlačíte ruku na šálku čaju, teplo sa šíri prstami. To je pocit, že sa bilióny atómov bijú spolu. Drobné vibrácie prenášajú tepelnú energiu z vody do hrnčeka a potom do vašej pokožky, keď jedna molekula zaklope do ďalšej a pošle ju do tretej - a tak ďalej po línii.
Teplo môže tiež prechádzať cez priestor ako vlny žiarenia, ale bez žiarenia potrebuje materiál, ktorý musí prejsť - molekuly, aby sa rozbili na iné molekuly. Vysávače neobsahujú žiadne „látky“, takže majú tendenciu zachytávať teplo. Napríklad na obežnej dráhe Zeme je jednou z najväčších výziev v oblasti inžinierstva, ako ochladiť raketovú loď.
Teraz však vedci ukázali, že v mikroskopických mierkach to nie je pravda. V novom článku publikovanom 11. decembra v časopise Nature fyzici ukázali, že malé vibrácie tepla môžu prekročiť stovky nanometrov prázdneho priestoru. Ich experiment využil záhadnú funkciu kvantového vákua: vôbec to nie je vôbec prázdne.
„Ukázali sme, že dva objekty sú schopné navzájom„ rozprávať “naprieč stovkami nanometrov,“ uviedol Hao-Kun Li, spoluautor štúdie. Li je fyzik na Stanfordskej univerzite, ktorý pracoval na tomto výskume, keď bol doktorandom na Kalifornskej univerzite v Berkeley.
Stovky nanometrov sú ľudským nekonečným priestorom - niekoľko tisícin milimetra alebo o niečo väčšie ako typický vírus. Ale to je stále príliš veľká medzera na prechod tepla, aspoň podľa jednoduchých modelov prenosu tepla.
V roku 2011 vedci začali špekulovať, že samotné kvantové vákuum by mohlo byť schopné uniesť molekulárne vibrácie tepla. V článku uverejnenom v časopise Applied Physics Letters sa zdôraznilo, že v kvantovej fyzike sa vákuum chápe ako miesto vriace sa energiou. Náhodné výkyvy hmoty a energie sa objavujú a potom miznú, spravidla na mierkach oveľa menších, ako si ľudia dokážu predstaviť.
Tieto výkyvy sú chaotické a nepredvídateľné. Mohli by však pôsobiť ako odrazové kamene, aby cez medzeru niesli vlnu tepla - vo forme kvantovej excitácie známej ako fonón. Keby ste boli telefónom, ktorý sa chystal prekročiť širokú medzeru, povedzme pár centimetrov, pravdepodobnosť správnych výkyvov v správnom poradí, aby ste sa dostali cez, by bola tak nízka, že by úsilie bolo zbytočné.
Výskumníci však zmenšili mierku a šance sa zlepšili. Pri asi 5 nanometroch by sa tento podivný kvantový hopscotch stal dominantným spôsobom prenosu tepla cez prázdny priestor - predbehol by dokonca elektromagnetické žiarenie, ktoré sa predtým považovalo za jediný spôsob, ako energia prechádza vákuom.
Napriek tomu títo vedci predpovedali, že účinok bude významný iba do rozsahu asi 10 nanometrov. Vidieť čokoľvek na stupnici 10 nanometrov je ťažké.
„Keď sme navrhli experiment, uvedomili sme si, že sa to nedá ľahko urobiť,“ povedal Li pre spoločnosť Live Science.
Aj keď k tomuto efektu dôjde, priestorové meradlo je také malé, že neexistuje dobrý spôsob, ako ho presvedčivo zmerať. Aby sa dosiahlo prvé priame pozorovanie prestupu tepla vákuom, fyzik UC Berkeley prišiel na to, ako zväčšiť mierku experimentu.
„Navrhli sme experiment, ktorý používa veľmi mäkké mechanické membrány,“ čo znamená, že sú veľmi elastické alebo pružné, povedal Li.
Ak vytrhnete tvrdú oceľovú gitarovú strunu, vysvetlil, výsledné vibrácie budú oveľa menšie ako tie, ktoré by ste videli, keby ste vytrhli pružnejšiu nylonovú gitarovú strunu s rovnakou silou. To isté sa stalo na experimente s nanorozmermi: Tieto ultraelastické membrány umožnili vedcom vidieť malé tepelné vibrácie, ktoré by inak neboli viditeľné. Opatrným odrazením svetla z týchto membrán vedci dokázali pozorovať fonóny tepla prechádzajúce cez stále nepatrnú medzeru.
Li povedal, že táto práca sa môže ukázať ako užitočná - pre ľudí, ktorí stavajú bežné počítače, ako aj pre kvantovo-počítačových dizajnérov.
Kľúčovým problémom pri budovaní lepších a rýchlejších mikročipov je zisťovanie, ako rozptýliť teplo z okruhov zoskupených do malých priestorov, uviedol Li.
„Naše zistenie v skutočnosti znamená, že by ste mohli navrhnúť vákuum, aby rozptýlilo teplo z počítačových čipov alebo zariadení s nanorozmermi,“ uviedol.
Ak by ste mali vyladiť vákuum jeho správnym tvarovaním so správnymi materiálmi, mohlo by - zďaleka v budúcnosti - byť efektívnejšie pri odoberaní tepla z čipu ako akékoľvek existujúce médium, uviedol.
Techniky, ktoré použili vedci, by sa tiež mohli použiť na zapletenie fonónov - samotných vibrácií - cez rôzne membrány. To by spojilo fonóny na kvantovej úrovni rovnakým spôsobom, ako kvantoví fyzici už spájajú fotóny alebo ľahké častice, ktoré sú oddelené v priestore. Po prepojení by sa fonóny mohli použiť na ukladanie a prenos kvantovej informácie, aby fungovali ako „mechanické qubity“ hypotetického kvantového počítača. Akonáhle sa ochladí, povedal, že fonóny by mali byť pri dlhodobom ukladaní údajov ešte efektívnejšie ako tradičné qubity.
