Када додирнете врућу површину, осећате покрет. Ако притиснете руку уз криглу чаја, топлина се шири прстима. То је осећај милијарди атома који ударају заједно. Ситне вибрације преносе топлотну енергију из воде у криглу, а затим у вашу кожу, док један молекул продире у следећи, шаљући га у трећи - и тако даље низ линију.
Топлота такође може прећи простор као таласи зрачења, али без радијације су му потребне ствари за пролазак кроз - молекуле да би налетели на друге молекуле. У вакууму нема „ствари“ у њима, па имају тенденцију да хватају топлоту. На пример, у Земљиној орбити, један од највећих инжењерских изазова је проналазак хладњака ракетног брода.
Али сада, истраживачи су показали да, на микроскопским вагама, то заиста није тачно. У новом раду, објављеном 11. децембра у часопису Натуре, физичари су показали да мале вибрације топлоте могу прећи стотине нанометара празног простора. Њихов експеримент искористио је необичну карактеристику квантног вакуума: Уопште није празан.
"Показали смо да два објекта могу међусобно да разговарају кроз празан простор, на пример, стотине нанометара", рекао је Хао-Кун Ли, ко-водећи аутор студије. Ли је физичар са Универзитета Станфорд који је радио на овом истраживању док је био докторски студент на Калифорнијском универзитету у Берклију.
Стотине нанометара у људском је погледу бесконачно мали простор - неколико хиљада ове милиметре, или мало већи од типичног вируса. Али то је још увек превелики јаз за прелаз топлоте, бар према једноставним моделима преноса топлоте.
2011. године, истраживачи су почели да спекулишу да би квантни вакуум могао бити у стању да поднесе молекуларне вибрације топлоте. У раду објављеном у часопису Апплиед Пхисицс Леттерс истакнуто је да се у квантној физици под вакуумом схвата место које се окреће енергијом. Случајне флуктуације материје и енергије настају и затим нестају, углавном на скали која је много мања него што људи могу да замисле.
Те флуктуације су хаотичне и непредвидиве. Али они би могли да делују попут степеница које носе талас топлоте - у облику квантне побуде познате као фонон - преко празнине. Да сте фононош који је кренуо да пређе широк јаз, рецимо, неколико центиметара, изгледи да се десне колебања догађају исправним редоследом да вас преброде били би тако мали да би тај покушај био бесмислен.
Али смањите стету, показали су истраживачи, и изгледи се побољшавају. Око 5 нанометара, овај чудни квантни хмељ постао би доминантан начин преношења топлине кроз празан простор - надмашујући чак и електромагнетно зрачење, за које се претходно мислило да је једини начин да енергија пређе кроз вакуум.
Ипак, ти су истраживачи предвидјели да ће ефекат бити значајан само до скале од око 10 нанометара. Али тешко је видети било шта на скали од 10 нанометара.
"Када смо дизајнирали експеримент, схватили смо да се то не може лако учинити", рекао је Ли за Ливе Сциенце.
Чак и ако се ефекат догоди, просторна скала је толико мала да не постоји добар начин да се тачно одреди. Да би произвели прво директно посматрање топлине која прелази вакуум, физичари из Берлина Берлина су пронашли како повећати експеримент.
"Дизајнирали смо експеримент који користи веома меке механичке мембране", што значи да су оне врло еластичне или растезљиве, рекао је Ли.
Ако стегнете чврсту челичну гитарску жицу, објаснио је он, резултирајуће вибрације биће много мање од оних које бисте видели да стежете еластичнију најлонску гитарску жицу исте снаге. Иста ствар догодила се и на наносемену у експерименту: Те ултра-еластичне мембране омогућиле су истраживачима да виде ситне вибрације топлоте које иначе не би биле видљиве. Пажљивим одбијањем светлости са тих мембрана, истраживачи су били у стању да примете фонеле топлоте који прелазе још увек минус минус.
Ли је рекао да би се овај посао могао показати корисним - и за људе који граде редовне рачунаре и за дизајнере квантних рачунара.
Кључни проблем у изградњи бољих и бржих микрочипова је проналажење начина распршивања топлоте из кругова сједињених у сићушне просторе, рекао је Ли.
"Наш налаз заправо подразумева да бисте могли да произведете вакуум да би распршио топлоту из рачунарских чипова или наноселе уређаја", рекао је.
Ако бисте подесили вакуум правилним обликовањем правих материјала, он би могао - далеко у будућности - постати ефикаснији у извлачењу топлоте са чипа него било који постојећи медиј, рекао је.
Технике које су истраживачи користили такође се могу користити за везивање фонона - самих вибрација - на различитим мембранама. То би повезало фонове на квантном нивоу на исти начин како квантни физичари већ повезују фотоне, односно светлосне честице, које су раздвојене у простору. Једном повезани, фонони би могли да се користе за складиштење и пренос квантних информација, да би функционисали као "механички кубити" хипотетичког квантног рачунара. И након што се охладе, рекао је, фонони би требали бити још ефикаснији у дугорочном чувању података од традиционалних кбита.
