I en ny studie, University of California, Berkeley, forskare visar att värmeenergi kan färdas genom ett fullständigt vakuum tack vare osynliga kvantfluktuationer. I experimentet, laget placerade två guldbelagda kiselnitridmembran några hundra nanometer isär i en vakuumkammare. När de värmde upp ett av membranen, den andra värmde upp, för, även om det inte fanns något som förbinder de två membranen och försumbar ljusenergi som passerade mellan dem. Upphovsman:Zhang Lab, UC Berkeley
Om du använder en vakuumisolerad termos för att hålla ditt kaffe varmt, du kanske vet att det är en bra isolator eftersom värmeenergi har svårt att flytta genom tomt utrymme. Vibrationer av atomer eller molekyler, som bär termisk energi, kan helt enkelt inte resa om det inte finns några atomer eller molekyler runt omkring.
Men en ny studie av forskare vid University of California, Berkeley, visar hur kvantmekanikens konstigheter kan vända även denna grundläggande princip i klassisk fysik på huvudet.
Studien, visas i veckan i tidningen Natur , visar att värmeenergi kan hoppa över några hundra nanometer av ett fullständigt vakuum, tack vare ett kvantmekaniskt fenomen som kallas Casimir -interaktionen.
Även om denna interaktion bara är viktig på mycket korta skalor, det kan ha djupa konsekvenser för designen av datorchips och andra elektroniska nanoskala komponenter där värmeavledning är avgörande. Det ökar också vad många av oss lärde oss om värmeöverföring i gymnasiefysik.
"Värme leds vanligtvis i ett fast ämne genom vibrationer av atomer eller molekyler, eller så kallade fononer-men i ett vakuum, det finns inget fysiskt medium. Så, under många år, läroböcker berättade att fononer inte kan resa genom ett vakuum, "sa Xiang Zhang, professorn i maskinteknik vid UC Berkeley som väglett studien. "Vad vi upptäckte, förvånande, är att fononer verkligen kan överföras över ett vakuum genom osynliga kvantfluktuationer. "
I en ny studie, University of California, Berkeley, forskare visar att värmeenergi kan färdas genom ett fullständigt vakuum tack vare osynliga kvantfluktuationer. För att genomföra det utmanande experimentet, laget konstruerade extremt tunna kiselnitridmembran, som de tillverkade i ett dammfritt rent rum, och använde sedan optiska och elektroniska komponenter för att exakt styra och övervaka temperaturen på membranen när de var låsta inuti en vakuumkammare. Upphovsman:Violet Carter, UC Berkeley
I experimentet, Zhangs team placerade två guldbelagda kiselnitridmembran några hundra nanometer från varandra i en vakuumkammare. När de värmde upp ett av membranen, den andra värmde upp, också - även om det inte fanns något som förbinder de två membranen och försumbar ljusenergi som passerade mellan dem.
"Denna upptäckt av en ny mekanism för värmeöverföring öppnar oöverträffade möjligheter för termisk hantering på nanoskala, vilket är viktigt för höghastighetsberäkning och datalagring, "sa Hao-Kun Li, en tidigare doktorand student i Zhangs grupp och medförfattare till studien. "Nu, vi kan konstruera kvantevakuumet för att extrahera värme i integrerade kretsar. "
Det finns inget som heter tomt utrymme
Den till synes omöjliga prestationen att flytta molekylära vibrationer över ett vakuum kan uppnås eftersom, enligt kvantmekanik, det finns inget som heter riktigt tomt utrymme, sade kung Yan Fong, en postdoktor vid UC Berkeley och studiens andra författare.
"Även om du har tomt utrymme - oavsett inget ljus - kvantmekaniken säger att det inte kan vara tomt. Det finns fortfarande några kvantfältfluktuationer i ett vakuum, "Fong sa." Dessa fluktuationer ger upphov till en kraft som förbinder två objekt, som kallas Casimir -interaktionen. Så, när ett föremål värms upp och börjar skaka och svänga, den rörelsen kan faktiskt överföras till det andra objektet över vakuumet på grund av dessa kvantfluktuationer. "
I en överraskande ny studie, University of California, Berkeley, forskare visar att värmeenergi kan färdas genom ett fullständigt vakuum tack vare osynliga kvantfluktuationer. Upphovsman:Violet Carter, UC Berkeley
Även om teoretiker länge har spekulerat i att Casimir -interaktionen kan hjälpa molekylära vibrationer att resa genom tomt utrymme, att bevisa det experimentellt har varit en stor utmaning. Att göra så, laget konstruerade extremt tunna kiselnitridmembran, som de tillverkade i ett dammfritt rent rum, och sedan utarbetat ett sätt att exakt kontrollera och övervaka deras temperatur.
De fann att genom att noggrant välja storlek och design på membranen, de kunde överföra värmeenergin över några hundra nanometer vakuum. Detta avstånd var tillräckligt långt för att andra möjliga värmeöverföringssätt var försumbara - till exempel energi som transporteras av elektromagnetisk strålning, vilket är hur energi från solen värmer upp jorden.
Eftersom molekylära vibrationer också är grunden för de ljud vi hör, denna upptäckt antyder att ljud också kan färdas genom ett vakuum, Sa Zhang.
"För tjugofem år sedan, under min doktorsexamen examen på Berkeley, en professor frågade mig "Varför kan du höra min röst tvärs över detta bord?" Jag svarade det, 'Det beror på att ditt ljud rör sig genom vibrerande molekyler i luften.' Han frågade vidare, 'Tänk om vi suger ut alla luftmolekyler från det här rummet? Kan du fortfarande höra mig? ' Jag sade, 'Nej, eftersom det inte finns något medium att vibrera, ", Sade Zhang." Idag, vad vi upptäckte är ett överraskande nytt sätt för värmeledning över ett vakuum utan medium, vilket uppnås genom de spännande kvantvakuumfluktuationerna. Så, Jag hade fel i min examen 1994. Nu, du kan skrika genom ett vakuum. "
