Тепловую энергию удалось передать сквозь вакуум благодаря странному квантовому эффекту

Квантовая физика снова перевернула классическую, на этот раз позволив теплу переноситься через пустое пространство без каких-либо атомов или молекул, которые обычно необходимы для такой передачи.

Исследование затрагивает определенную часть квантовой странности, известной как эффект Казимира: идея о том, что пустое пространство на самом деле не пустое, а заполнено крошечными электромагнитными колебаниями, которые могут взаимодействовать с окружающими их объектами.

Ранее ученые продемонстрировали, как эффект Казимира может перемещать наночастицы в вакууме и сближать два объекта; это последнее исследование демонстрирует, как они могут работать с теплопередачей.

Это открытие может повлиять на способ разработки наноразмерных электронных компонентов и даже квантовых компьютеров, управляющих теплом в самых маленьких масштабах.

«Тепло обычно проводится в твердом теле через колебания атомов или молекул или так называемых фононов, но в вакууме нет физической среды», — говорит инженер-механик Сян Чжан из Университета Калифорнии в Беркли. «Так, в течение многих лет учебники говорили нам, что фононы не могут путешествовать в вакууме.

«Удивительно, что мы обнаружили, что фононы действительно могут переноситься через вакуум невидимыми квантовыми флуктуациями».

Это было подтверждено двумя покрытыми золотом мембранами из нитрида кремния, расположенными на расстоянии нескольких сотен нанометров внутри вакуумной камеры. Даже при отсутствии связи между мембранами и незначительной световой энергии нагрев одной мембраны также вызывал нагрев другой.

Хотя расстояние, которое прошло тепло, очень мало, условно говоря, оно было достаточным, чтобы исключить другие причины для передачи тепла, такие как энергия от электромагнитного излучения (именно так Солнце нагревает Землю через космический вакуум).

На данный момент команда изучает способы использования этого особого квантового эффекта для управления тепловым потоком в компьютерах и электронике будущего.

«Это открытие нового механизма теплопередачи открывает беспрецедентные возможности для управления температурой на наноуровне, что важно для высокоскоростных вычислений и хранения данных», — говорит инженер-механик Хао-Кун Ли из Стэнфордского университета.

«Теперь мы можем создать квантовый вакуум для извлечения тепла в интегральных схемах».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.