Jitter-ul cuantic permite căldurii să circule printr-un vid

Pentru prima dată, oamenii de știință au măsurat căldura transferată de efervescența cuantică a spațiului gol.

Două membrane minuscule, vibrante, au atins aceeași temperatură, în ciuda faptului că au fost separate de un vid, raportează fizicienii în 12 decembrie. Natură. Rezultatul este prima demonstrație experimentală a unui tip prezis, dar evaziv de transfer de căldură.

În mod normal, un vid previne majoritatea tipurilor de transfer de căldură – ceea ce ajută un termos sigilat în vid să mențină fierbinte cafeaua. Dar „mecanica cuantică vă oferă o nouă cale prin care căldura să treacă prin vid”, spune coautorul King Yan Fong, un fizician care a lucrat la studiu în timp ce era la Universitatea din California, Berkeley. Pentru distanțe la scara nanometrilor, căldura poate fi transferată prin vid prin fluctuații cuantice, un fel de agitare a particulelor și câmpurilor tranzitorii care apare chiar și în spațiul gol (SN: 13/11/16).

Fabricate din nitrură de siliciu acoperită cu aur, cele două membrane măsurau fiecare aproximativ 300 de micrometri. Cercetătorii au răcit o membrană și au încălzit-o pe cealaltă, la o diferență de temperatură de aproximativ 25 de grade Celsius. Acea căldură s-a tradus într-o mișcare asemănătoare cu tobă a membranelor – cu cât membrana era mai caldă, cu atât vibra mai puternic. Când membranele au fost aduse la câteva sute de nanometri una de alta, separate de nimic altceva decât de spațiu gol, temperaturile lor s-au egalat, indicând că căldura sa transferat între ele.

cameră de vid
Într-un experiment, două membrane (situate pe plăci de cupru în centru) au fost montate într-o cameră de vid (prezentată), iar temperatura și poziția lor au fost controlate cu precizie.Xiang Zhang/Univ. din California, Berkeley

„Este super interesant”, spune cercetătorul în optică cuantică Sofia Ribeiro de la Universitatea Durham din Anglia, care nu a fost implicată în studiu. Oamenii de știință au lucrat pentru a dezvolta mașini minuscule care profită de particularitățile termodinamicii la scară cuantică (SN: 3/8/16). Noul studiu ar putea fi hrană pentru acest efort. „Acest lucru deschide… o platformă uriașă care va fi foarte interesantă de explorat”, spune ea.

Căldura se deplasează de obicei prin trei căi principale: conducție, convecție și radiație. Conducția descrie transferul de căldură prin contactul direct al materialelor, în timp ce convecția este un transfer de căldură care decurge din mișcările gazelor sau lichidelor, cum ar fi creșterea aerului cald. Cei doi nu aplică pentru spațiul gol. Dar radiația – transferul de căldură prin unde electromagnetice – poate apărea printr-un vid, ca în soarele care încălzește Pământul. Acum, cercetătorii spun că au demonstrat experimental un alt mecanism prin care căldura poate trece printr-un vid, deși efectul este semnificativ doar pe distanțe foarte mici.

Noua varietate de transfer de căldură este rezultatul efectului Casimir, care descrie modul în care fluctuațiile cuantice produc o forță atractivă între două suprafețe separate de un vid (SN: 3/2/15). În mecanica cuantică, spațiul gol nu poate fi niciodată cu adevărat gol: undele electromagnetice tranzitorii trec în mod constant în și ies din existență. Aceste unde, deși virtuale, pot exercita forțe reale asupra materialelor. În spațiul dintre suprafețe, undele electromagnetice pot apărea numai cu anumite lungimi de undă. Dar valurile de orice dimensiune pot încadra în exterior, iar acest exces de valuri exterioare creează o presiune spre interior. În experiment, cele două membrane se influențează una pe cealaltă prin intermediul acestei forțe – zgâcnirea obiectului mai fierbinte îl zguduie pe cel mai rece, de exemplu – echivalându-le temperaturile.

„Este un experiment foarte frumos”, spune fizicianul John Pendry de la Imperial College London, care nu a fost implicat în cercetare.

Acest nou tip de transfer de căldură ar putea fi valorificat pentru a îmbunătăți performanța dispozitivelor la scară nanometrică. „Căldura este o problemă uriașă în nanotehnologie”, spune Pendry. Performanța circuitelor mici găsite în telefoanele mobile și alte dispozitive electronice este limitată de cât de repede poate disipa căldura dispozitivul.

Pendry speră să vadă în viitor astfel de experimente orientate mai mult spre aplicații reale ale efectului, deși recunoaște că este prea mult să ceri pentru prima demonstrație. „Asta înseamnă să fii lacom”, spune el. „Nu primești toate bomboanele în același timp.”