En banbrytande studie utförd av forskare från National University of Singapore (NUS) har avslöjat en metod för att använda kvantmekaniska vågteorier för att "låsa" värme i en fast position.

Vanligtvis, en värmekälla diffunderar genom ett ledande material tills det försvinner, men docent Cheng-Wei Qiu från Institutionen för el- och datateknik vid NUS tekniska fakultet och hans team använde principen om anti-parity-time (APT) symmetri för att visa att det är möjligt att begränsa värmen till en liten område av en metallring utan att den sprider sig över tiden.

I framtiden, detta nyligen demonstrerade fenomen kan användas för att kontrollera värmespridning på sofistikerade sätt och optimera effektiviteten i system som behöver kylas. Resultaten av studien publicerades den 12 april 2019 i tidskriften Vetenskap .

Fryser värmespridningen

"Tänk dig en bläckdroppe i en flödande ström. Efter en kort tid skulle du se bläcket sprida sig och flöda i strömriktningen. Tänk dig nu om den bläckdroppen förblev samma storlek och i samma position som vattnet flödade runt det. Det är faktiskt vad vi har åstadkommit med värmespridningen i vårt experiment, "förklarade Assoc Prof Qiu.

Den experimentella uppsättningen av denna studie är två motsatt roterande metallringar, smörjas ihop med ett tunt lager fett. Ringarnas roterande rörelse fungerar som flödet av strömmen i scenariot. När värme injiceras vid en punkt i systemet, den termiska energin kan hålla sig på plats eftersom en roterande ring är kopplad till den motroterande ringen genom principerna för APT-symmetri.

Villkoren för detta experiment är ganska exakta för att det ska bli framgångsrikt. "Från kvantmekanisk teori, du kan beräkna hastigheten som behövs för ringarna. För långsamt eller för snabbt, och du kommer att bryta tillståndet, "sade Assoc Prof Qiu. När villkoren bryts, systemet fungerar konventionellt, och värmen förs vidare när ringen roterar.

Trenderar trenden

Att tillämpa principerna för APT -symmetri på system som involverar värme är en fullständig avvikelse från den nuvarande tankegången inom detta område. "Det skiljer sig drastiskt från de för närvarande populära forskningsämnena. Inom detta område, många grupper arbetar med paritetstid (PT) symmetriinställningar, och nästan av dem tittar på vågmekanik. Det här är första gången någon har gått ut ur vågornas område, och visat att APT-symmetri är tillämplig på diffusionsbaserade system som värme, "sade Assoc Prof Qiu.

Denna demonstration av ett fast värmeområde i rörlig metall verkar kontraintuitivt, som Assoc Prof Qiu medger, "Innan denna studie folk trodde faktiskt att detta var ett förbjudet område, men vi kan förklara allt. Det bryter inte mot några fysikaliska lagar. "I verkligheten anledningen till att Assoc Prof Qiu och hans team kunde kontrollera värmen var genom att införa en extra grad av frihet i deras geniala experimentella upplägg - rotation av ringarna

"För att APT -symmetri ska bli signifikant i ett system, det måste finnas något inslag av förlust och vinst i installationen - och de måste balanseras. I ett traditionellt termiskt diffusionssystem, APT -symmetri är inte konsekvent eftersom det inte finns någon vinst eller förlust grad av frihet. Därav, den mekaniska rotationen är nyckelspelaren här, " han förklarade.

Potentiella applikationer och nästa steg

Många moderna tekniker kräver ett effektivt avlägsnande av värme. Mekaniska inställningar som motorer, liksom beräkningsmässiga och elektriska komponenter måste kylas effektivt. För närvarande, de flesta tekniker kyls med ett jämnt vätskeflöde för att ta bort värmen genom konvektion.

"Detta experiment visar att vi måste vara mer försiktiga när vi bestämmer flödeshastigheten och utformningen av dessa system, "Assoc Prof Qiu uppgav. Medan hans experimentella upplägg innehöll motroterande metallringar, samma princip kan tillämpas på andra uppställningar i flux. "Uppfattningen är att cirkulationen tar bort värmen helt enkelt, men det är inte alltid nödvändigtvis så enkelt, " han lade till.

Nästa, laget försöker öka storleken på deras experiment. "För närvarande är vår inställning i intervallet centimeter, så vi vill skala upp det till storleken på riktiga motorer eller växelsystem. Växlingssystem har ofta liknande motroterande mekanismer som genererar värme, så vi vill tillämpa teori för att sprida denna värme mer effektivt, "Sade professor Qiu.