-1 °C

Топлопроводимост през вакуум. Доказаха ефекта на Казимир

В изненадващо ново проучване от Калифорнийския университет в Бъркли, изследователите показват, че топлинната енергия може да пътува през пълен вакуум благодарение на невидимите квантови колебания.

Ако използвате термос изолиран с вакуум, за да запазите кафето си горещо, може да знаете, че той е добър изолатор, тъй като топлинната енергия трудно се движи през празно пространство. Вибрациите на атоми или молекули, които носят топлинната енергия, просто не могат да пътуват, ако няма атоми или молекули наоколо.

Но ново проучване на изследователи от Калифорнийския университет, Бъркли, показва как странността на квантовата механика може да обърне с главата надолу дори този основен принцип на класическата физика.

Изследването, което се появи тази седмица в списанието Nature, показва, че топлинната енергия може да прескочи през няколкостотин нанометра пълен вакуум, благодарение на квантово механично явление, наречено ефект на Казимир.

Въпреки че това взаимодействие е важно само при много къси разстояния, то може да има дълбоки последици за дизайна на компютърните чипове и други електронни компоненти с наноразмер, където разсейването на топлината е ключово. То също така преобръща това, което се учи за преноса на топлина по физика в гимназията.

"Топлината обикновено се провежда в твърдо вещество чрез вибрациите на атоми или молекули, или така наречените фонони, но във вакуум, няма физическа среда. Така че в продължение на много години учебниците ни казват, че фононите не могат да пътуват през вакуум", казва Сян Джан, професор по машинно инженерство в UC Berkeley, който ръководи изследването. „Изненадващо открихме, че фононите наистина могат да се прехвърлят във вакуум чрез невидими квантови флуктуации.“

В ново проучване от Калифорнийския университет в Бъркли, изследователите показват, че топлинната енергия може да пътува през пълен вакуум благодарение на невидимите квантови колебания. За провеждането на предизвикателния експеримент, екипът създава изключително тънки мембрани от силициев нитрид, които те изработили в чиста стая без прах, а след това използват оптични и електронни компоненти за прецизен контрол и наблюдение на температурата на мембраните, затворени във вакуумна камера. 

В експеримента екипът на Джан поставя две мембрани от силициев нитрид, покрити със злато, на няколкостотин нанометра във вакуумната камера. Когато загряват една от мембраните, другата също се загрява, въпреки че няма нищо, свързващо двете мембрани и нищожна светлинна енергия, преминаваща между тях.

„Откриването на нов механизъм за пренос на топлина отваря безпрецедентни възможности за термично управление в наноразмер, което е важно за изчисляване на високоскоростни комуникации и съхранение на данни“, казва Хао-Кун Ли,доктор на науките, съавтор на изследването. "Сега можем да проектираме квантов вакуум за извличане на топлината в интегралните схеми."

Няма такова нещо като празно пространство

На пръв поглед невъзможният подвиг - движещи се молекулни вибрации през вакуум може да бъде осъществен, тъй като според квантовата механика няма такова нещо като истински празно пространство, обяснява Кинг Ян Фонг, докторант в UC Berkeley и другият първи автор на изследването.

"Дори ако имате празно пространство, без значение, че няма светлина, квантовата механика казва, че не може да бъде наистина празно. Все още има някакви флуктуации на квантовото поле във вакуум", каза Фонг. „Тези колебания пораждат сила, която свързва два обекта, която се нарича ефект на Казимир. Така че, когато един обект се загрее и започне да се вибрира и колебае, това движение всъщност може да бъде предадено на друг обект през вакуума поради тези квантови колебания."

Въпреки че теоретиците от дълго време предполагат, че ефектът на Казимир може да помогне на молекулните вибрации да пътуват през празното пространство, доказването му експериментално е голямо предизвикателство. За целта екипът създаде изключително тънки мембрани от силициев нитрид, които изработиха в чиста стая без прах, а след това измислиха начин за прецизен контрол и наблюдение на температурата им.

Те откриват, че внимателно подбирайки размера и дизайна на мембраните,  могат да прехвърлят топлинната енергия през над няколкостотин нанометра вакуум. Това разстояние е достатъчно далеч, че другите възможни режими на пренос на топлина да са незначителни - например енергията, носена от електромагнитно излъчване, което е начинът, по който енергията от Слънцето загрява Земята.

Тъй като молекулните вибрации също са в основата на звуците, които чуваме, това откритие предполага, че звуците също могат да пътуват през вакуум, казва Джан.

"Преди двадесет и пет години, по време на моя изпит за докторска степен в Бъркли, един професор ме попита: "Защо можете да чуете моя глас от тази маса? " Отговорих му: "Това е така, защото звукът пътува чрез вибриране на молекулите на въздуха." След това той попита: „Ами ако изсмучем всички въздушни молекули от тази стая? Все още ли ще ме чувате?“ Казах, "Не, защото няма среда, която да вибрира", каза Джан. „Днес това, което открихме, е изненадващо нов режим на топлопроводимост през вакуум без медиум, което се постига чрез интригуващите колебания на вакуумния квант. Така че сгреших на изпита си през 1994 г. Сега можете да извикате през вакуум."

Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1800-4

Facebook коментари

Коментари в сайта

Хороскоп за 19.01.2020

Хороскоп за Овен

Овен
Целите ви изискват да сте наясно със себе си и в хармония с околния свят. Така ще ви бъде по-лесно да работите, влагайки освен всичко друго и творчески похвати, които са измежду най-ценните ви находки. На изненадите погледнете откъм хубавата им страна и ще откриете, че животът е добър, въпреки съмненията ви.
19 яну 2020

Хороскоп за Телец

Телец
Денят ви ще е интересен, а събитията ще ви предложат повече разнообразие. Възползвайте се от предложенията на свои близки. В случай, че изникнат служебни ангажименти, спокойно можете да ги свършите. На някои от вас предстоят запознанства и романтични увлечения, водещи ви към живота, който ви привлича.
19 яну 2020

Хороскоп за Близнаци

Близнаци
За да избегнете напрежението, ограничете общуванията си с невъзприемчивите около вас хора и се посветете на собствените си задачи. Това е начин да си спестите излишни главоболия и време. Настъпващите промени изискват повишаване на професионалната ви подготовка и още ред други усилия, ако държите да сте в час с тях.
19 яну 2020

Хороскоп за Рак

Рак
Наясно сте, че умеете да печелите битки, стига да сте достатъчно мотивирани. Ако ще пътувате бъдете изключително внимателни при шофиране. Раздразнителността ви е повишена. Не се колебайте да поемате рискове. Добре преценявате ситуацията и ще имате точни попадения.
19 яну 2020

Хороскоп за Лъв

Лъв
Ще се справите с трудностите и без да изпадате в крайности, ще приключите навреме започнатото. Можете да влияете на събитията и да ги променяте към добро, за това не се колебайте, когато това се очаква от вас. Времето работи за вас, възползвайте се, като поставите начало на значими дела.
19 яну 2020

Хороскоп за Дева

Дева
Диетите няма да са особено успешни, ако не ги съобразите с вътрешното си състояние. По-добре е да не измъчвате тялото си, а да лекувате душата. Високите ви критерии изискват и вие да сте на висотата им. Рефлексите ви ще ви изправят пред избор, който трябва да решите днес.
19 яну 2020

Хороскоп за Везни

Везни
Днес ще ви се отдаде дълго чаканата възможност да се включите в мероприятие, което досега сте наблюдавали отстрани. От резултатите, които постигате че се убедите че си е струвало да изчакате най-благоприятния момент за активните си действия. Постигате забележителни успехи в област, в която дори не сте подозирали че имате способности.
19 яну 2020

Хороскоп за Скорпион

Скорпион
Задачите ви днес изискват повече внимание от вас и това ще ви натовари допълнително. Вашата всеотдайност е пословична, но ще се наложи да намалите темпото. Взаимно удоволствие ще изпитате, ако отделите повече време за любимия човек. Старайте се да не мислите за нещо отминало, за което излишно се вините.
19 яну 2020

Хороскоп за Стрелец

Стрелец
Този ден е подходящ за разрешаване на лични въпроси. Необходимо е повече доверие в човека до вас и ще видите, че понякога стават и чудеса. Физическите занимания ще ви се отразят положително и ще ви заредят с енергия. Вечерта се очертава да бъде много вълнуваща. Не прекалявайте с почерпването.
19 яну 2020

Хороскоп за Козирог

Козирог
Извисете се над маловажните неща и гледайте философски на живота. С подходящи аргументи можете да приобщите потенциалните си опоненти и ще спечелите. Доверете се на логиката, а не на чувствата си и ще имате още една причина да сте доволни от себе си. Радостни новини от чужбина.
19 яну 2020

Хороскоп за Водолей

Водолей
Днес обърнете сериозно внимание на семейните си отношения, възможни са конфликти, постарайте се да ги предотвратите. Бъдете по-толерантни и сдържани. Уважете желанията на вашите близки и не налагайте излишно мнението си.
19 яну 2020

Хороскоп за Риби

Риби
Чудесен ден за разходки на чист въздух и за изглаждане на недоразумения с близките. Ако отношенията ви с любимите хора са наред насочете творческата си активност в професионалните си ангажименти. Днес можете да постигнете повече от когато и да е било.
19 яну 2020
Последни новини