Nanos léptékű kísérletek azt mutatják, hogy a kvantumingadozásoknak köszönhetően két tárgy az üres térben sugárzás nélkül képes hőcserére.
Az új mechanizmus kvantumingadozásokat (a virtuális részecskék folyamatos megjelenése és eltűnése) használ a hőenergia fononokon keresztüli átadására az üres térben. [alex_west/iStock]
A legtöbb gyermek nagyon korán megtanulja, hogy megéghet, ha egy forró tűzhelyhez ér, vagy akár túl közel kerül a tűzhöz. Akár közvetlen érintkezés útján, akár az űrben terjedő fénysugarakon keresztül érkeznek, a hőátadással kapcsolatos tanulságok ugyanolyan intuitívak (és gyakran fájdalmasak), mint felejthetetlenek. De a tudósok most feltártak egy meglepő új módot arra, hogy a hő két pont között mozoghat. Az üres tér furcsa kvantumtulajdonságainak köszönhetően a hő a fény segítsége nélkül utazhat egyik helyről a másikra. A megállapítást december 11-én tették közzé a Nature folyóiratban.
Általánosságban elmondható, hogy a hő a részecskék mozgásával kapcsolatos energia: minél gyorsabban mozognak, annál melegebbek. Kozmikus méretekben szinte minden hőátadás az üres téren keresztül történik, a csillagok által kibocsátott fotonok (fényrészecskék) segítségével: a Nap így melegíti fel bolygónkat, annak ellenére, hogy körülbelül 150 millió kilométerre van. Itt, a Földön a hőáram gyakran intimebben jön létre, két anyag közvetlen érintkezésével és az atomok kollektív rezgéseinek segítségével, amelyek alapegységeit vagy kvantumait "fononoknak" nevezik.
Sokáig azt hitték, hogy a fononok nem tudják átvinni a hőenergiát az üres téren keresztül: két tárgyra van szükségük, amelyek kapcsolatban vannak vagy legalábbis megfelelő közeggel, például levegővel vannak összekötve. Ezt az elvet használják ki a termoszok annak érdekében, hogy tartalmuk forró vagy hideg maradjon: a belső tartály elszigeteléséhez vákuumot lezáró falat használnak. A tudósok azonban évek óta feltételezik, hogy a fononok vákuumon keresztül tudják továbbítani a hőt, amit a kvantummechanika furcsa következménye csábít: az a tény, hogy az űr soha nem lehet igazán üres.
A kvantummechanika szerint az univerzum eleve határozatlan: például bármennyire is próbálkozunk, soha nem tudjuk megadni egy szubatomi részecske helyzetét és lendületét sem. Ennek a bizonytalanságnak az eredményeként a vákuum kvantumingadozásokkal, virtuális részecskékkel zajlik, amelyek folyamatosan jönnek létre és pusztulnak el. "A vákuum soha nem teljesen üres" - mondja Xiang Zhang, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem fizikusa és a fononok segítségével végzett hőátadás új tanulmányának vezetője.
A tudósok évtizedekkel ezelőtt felfedezték, hogy a virtuális részecskék nemcsak elméleti lehetőségek, hanem kimutatható erőket generálhatnak. Például a Kázmér-effektus vonzó erő, amelyet bizonyos közeli tárgyak, például két tükrök vákuumban helyeznek el, nagyon rövid távolságra egymástól. Ezek a fényvisszaverő felületek a virtuális fotonok által generált erő hatására mozognak, amelyek folyamatosan megjelennek és eltűnnek.
Ha az ilyen rövid életű kvantumingadozások valódi erőket eredményezhetnek, elmélkedtek az elméleti szakemberek, talán képesek lennének hőátadásra hőátadás nélkül is. Annak szemléltetése érdekében, hogy ez a kvonumingadozások által segített fonon alapú fűtés miként fordulhat elő, képzeljen el két különböző hőmérsékletű, vákuum által elválasztott objektumot. A forróbb tárgyból származó fononok hőenergiát adhatnak a vákuum virtuális fotonjainak, amelyek ezt követően átvisszák a hűvösebb tárgyra. Ha mindkét objektum alapvetően oszcilláló atomok gyűjteménye, akkor a virtuális részecskék rugókként működhetnek, amelyek továbbítják a rezgéseket egyikről a másikra.
Az a kérdés, hogy a kvantumingadozások segíthetnek-e a fononoknak a vákuumban történő hőátadásban, "körülbelül egy évtizede vita tárgya az elméleti szakemberek között" - mondja John Pendry, a londoni Imperial College fizikusa, aki nem vett részt a tanulmányban. Új tanulmány. "Időnként a hatás erősségére vonatkozó becslések nagyon eltérőek voltak, mivel a számítások meglehetősen összetettek."
Általában ezek a korábbi kutatások azt sugallták, hogy a jelenség csak legfeljebb néhány nanométerrel (méter milliárddal) elválasztott objektumok között figyelhető meg - magyarázza Pendry. Ilyen apró távolságokon, hozzáteszi, a tárgyak vagy más jelenségek közötti elektromos interakciók a nano-skálán elfedhetik a fononok ezt a hatását, nagyon megnehezítve azok felismerését.
Zhang és munkatársai négy éven át keményen dolgoztak a probléma megoldásán. Kísérleteket és kísérleteket terveztek és tökéletesítettek annak érdekében, hogy a fononok hőátadását vákuumban, nagyobb távolságokban, akár több száz nanométerig is megfigyelhessék.
Két szilícium-nitrid membránt használtak, mindegyik körülbelül 100 nanométer vastag. Ezeknek a pengéknek a rendkívüli soványsága és könnyedsége megkönnyíti annak meghatározását, hogy egyikük energiája befolyásolja-e a másik mozgását. A membrán atomjainak rezgései előre-hátra hajlítják őket, olyan frekvenciával, amely a hőmérsékletüktől függ.
Zhang csapata rájött, hogy ha a lapok ugyanolyan méretűek, de különböző hőmérsékleten vannak, akkor különböző frekvencián ráznak. Ezt szem előtt tartva a tudósok úgy igazították a membránok méretét, hogy bár kezdeti hőmérsékletük (13,85 és 39,35 Celsius fok) nem egyezett, mindkettő másodpercenként körülbelül 191 600 alkalommal rezgett. Amikor két objektum azonos frekvenciával rendelkezik, hajlamosak "hatékonyan" rezonálni és energiát cserélni. Ennek a rezonanciajelenségnek jól ismert példája akkor fordul elő, amikor egy operaénekesnőnek sikerül a megfelelő hangot elütnie egy pohár pezsgőtöréshez.
Ezenkívül a kutatóknak meg kellett bizonyosodniuk arról, hogy a membránok szinte tökéletesen párhuzamosak egymással (néhány nanométeres pontossággal), ami elengedhetetlen ahhoz, hogy pontosan meg lehessen mérni azokat az erőket, amelyeket egymásra tudnak kifejteni. Arra is ügyeltek, hogy a membránok rendkívül simaak legyenek, felületi variációik nem haladják meg az 1,5 nanométert.
A lapokat egy vákuumkamra belsejében lévő felülethez erősítették, egyiküket fűtőberendezéshez, a másikat hűtőszekrényhez csatlakoztatták. Mindkét membránt, amelyet nagyon vékony aranyréteg borított, hogy fényvisszaverővé tegye őket, kis teljesítményű lézerekkel besugározták, hogy észleljék rezgéseiket és ezért hőmérsékletüket. A vizsgálat után a tudósok megállapították, hogy a membránok nem cseréltek hőt azon a felületen keresztül, amelyre csatlakoztak, vagy látható fény vagy egyéb elektromágneses sugárzás révén.
"Ez a kísérlet arra kényszerített minket, hogy nagyon pontosan szabályozzuk a hőmérsékletet, a távolságot és az irányt" - mondja Zhang. „Egy alkalommal, a nyár folyamán gondjaink voltak ezzel, mert a magas környezeti hőmérséklet forróvá tette a laboratóriumot. Ezenkívül hosszú időbe telik maga a mérés elvégzése, mert ki kell küszöbölni a zajt: négy óránkba tellett az egyes adatok megszerzése.
Végül Zhang és munkatársai azt tapasztalták, hogy amikor a membránok 600 nanométernél közelebb kerültek, olyan hőmérsékleti változásokat kezdtek mutatni, amelyek csak a fononokból és a kvantumingadozásokból magyarázhatók. 400 nanométer alatt a hőcserélési sebesség elég magas volt ahhoz, hogy a fóliák hőmérsékletükben szinte azonosak legyenek, bizonyítva ezzel a mechanizmus hatékonyságát.
A kutatók kiszámították, hogy a fononok által vákuumban továbbított energia maximális sebessége körülbelül 6,5 × 10 -21 joule/másodperc volt. Ennél a sebességnél körülbelül 50 másodpercbe telik a látható fény foton energiájának átvitele. Bár a hatás jelentéktelennek tűnhet, Zhang megjegyzi, hogy ez még mindig "egy új mechanizmus a hő átadására a tárgyak között".
"Örülök, hogy olyan kísérleti adatokat láttam, amelyek megerősítik, hogy a fononok áthidalhatják a [vákuum] szakadékát" - mondja Pendry. "Ez egy szenzációs kísérlet, és azt mondanám, hogy soha nem látott."
Elvileg ez a mechanizmus akár a csillagok bolygóinak felmelegedését is elősegítheti. Azonban a távolságokról, amelyekről beszélünk, a hatás nagysága "rendkívül kicsi" lenne, egészen addig a pontig, hogy teljesen jelentéktelen - mondja Zhang.
Közelebbről, a megállapítás lehetővé teheti a mérnökök számára, hogy jobban kezeljék az okostelefonok, laptopok és egyéb eszközök alapjául szolgáló elektronikus alkatrészek hőjét, ahogy egyre kisebbek lesznek. "Például merevlemezeken az olvasáshoz és az íráshoz szükséges mágneses fej csak három nanométer távolságban mozog a lemez felületén" - mondja Zhang. "Ilyen rövid távolságokon azt várjuk, hogy az új hőátadási mechanizmus fontos szerepet játszik, ezért ezt a mágneses tárolóeszközök tervezésénél figyelembe kell venni."
Zhang megjegyzi, hogy a kvantumingadozások nemcsak virtuális fotonokat hoznak létre, hanem számos más típusú virtuális részecske létezik, beleértve a virtuális gravitonokat (a gravitációs energia kvantumai). "Nagyon érdekes nyitott kérdés, hogy vajon a gravitációs mezőkben bekövetkező kvantumingadozások előidézhetik-e a kozmológiai skálán releváns hőátadási mechanizmust?".
Charles Q. Choi
Hivatkozás: "Phonon hőátadása vákuumban kvantumingadozások révén", King Yan Fong et al. in Nature, vol. 576, pp. 243-247, 2019. december 11.