Als u een vacuümgeïsoleerde thermoskan gebruikt om uw koffie warm te houden, je weet misschien dat het een goede isolator is omdat warmte-energie het moeilijk heeft om door lege ruimte te bewegen. Trillingen van atomen of moleculen, die thermische energie dragen, kan gewoon niet reizen als er geen atomen of moleculen in de buurt zijn.

Maar een nieuwe studie door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, laat zien hoe de gekheid van de kwantummechanica zelfs dit basisprincipe van de klassieke fysica op zijn kop kan zetten.

De studie, verschijnt deze week in het journaal Natuur , laat zien dat warmte-energie over een paar honderd nanometer van een compleet vacuüm kan springen, dankzij een kwantummechanisch fenomeen dat de Casimir-interactie wordt genoemd.

Hoewel deze interactie alleen significant is op zeer korte lengteschalen, het kan ingrijpende gevolgen hebben voor het ontwerp van computerchips en andere elektronische componenten op nanoschaal waarbij warmteafvoer de sleutel is. Het zet ook op zijn kop wat velen van ons hebben geleerd over warmteoverdracht in de natuurkunde op de middelbare school.

"Warmte wordt meestal geleid in een vaste stof door de trillingen van atomen of moleculen, of zogenaamde fononen, maar in een vacuüm, er is geen fysiek medium. Dus, voor vele jaren, leerboeken vertelden ons dat fononen niet door een vacuüm kunnen reizen, " zei Xiang Zhang, de professor werktuigbouwkunde aan UC Berkeley die de studie leidde. "Wat we ontdekten, verrassend genoeg, is dat fononen inderdaad over een vacuüm kunnen worden overgedragen door onzichtbare kwantumfluctuaties."

In het experiment, Het team van Zhang plaatste twee met goud beklede siliciumnitridemembranen op een paar honderd nanometer van elkaar in een vacuümkamer. Toen ze een van de membranen verhitten, de ander warmde op, ook, hoewel er niets was dat de twee membranen met elkaar verbond en er verwaarloosbare lichtenergie tussen hen passeerde.

"Deze ontdekking van een nieuw mechanisme van warmteoverdracht opent ongekende mogelijkheden voor thermisch beheer op nanoschaal, wat belangrijk is voor snelle berekening en gegevensopslag, " zei Hao-Kun Li, een voormalig Ph.D. student in de groep van Zhang en co-eerste auteur van de studie. "Nutsvoorzieningen, we kunnen het kwantumvacuüm ontwikkelen om warmte te extraheren in geïntegreerde schakelingen."

Er bestaat niet zoiets als lege ruimte

De schijnbaar onmogelijke prestatie van het verplaatsen van moleculaire trillingen door een vacuüm kan worden bereikt omdat, volgens de kwantummechanica, er bestaat niet zoiets als echt lege ruimte, zei koning Yan Fong, een postdoctoraal onderzoeker aan UC Berkeley en de andere eerste auteur van de studie.

"Zelfs als je lege ruimte hebt - maakt niet uit, geen licht - de kwantummechanica zegt dat het niet echt leeg kan zijn. Er zijn nog wat kwantumveldfluctuaties in een vacuüm, Fong zei. "Deze fluctuaties geven aanleiding tot een kracht die twee objecten verbindt, wat de Casimir-interactie wordt genoemd. Dus, wanneer een object opwarmt en begint te trillen en oscilleren, die beweging kan door deze kwantumfluctuaties daadwerkelijk worden overgedragen aan het andere object over het vacuüm."

Hoewel theoretici al lang speculeren dat de Casimir-interactie moleculaire trillingen kan helpen door de lege ruimte te reizen, het experimenteel bewijzen was een grote uitdaging. Om dit te doen, het team ontwikkelde extreem dunne siliciumnitridemembranen, die ze fabriceerden in een stofvrije cleanroom, en bedachten vervolgens een manier om hun temperatuur nauwkeurig te regelen en te bewaken.

Ze vonden dat, door zorgvuldig de grootte en het ontwerp van de membranen te selecteren, ze konden de warmte-energie over een vacuüm van een paar honderd nanometer overbrengen. Deze afstand was ver genoeg dat andere mogelijke vormen van warmteoverdracht verwaarloosbaar waren - zoals energie gedragen door elektromagnetische straling, dat is hoe energie van de zon de aarde opwarmt.

Omdat moleculaire trillingen ook de basis zijn van de geluiden die we horen, deze ontdekking suggereert dat geluiden ook door een vacuüm kunnen reizen, zei Zhang.

"Vijfentwintig jaar geleden, tijdens mijn Ph.D. kwalificerend examen in Berkeley, een professor vroeg me 'Waarom hoor je mijn stem aan deze tafel?' Ik antwoordde dat 'Het komt omdat je geluid zich voortplant door trillende moleculen in de lucht.' Verder vroeg hij 'Wat als we alle luchtmoleculen uit deze kamer zuigen? Kun je me nog horen?' Ik zei, 'Nee, omdat er geen medium is om te trillen, '" zei Zhang. "Vandaag, wat we ontdekten is een verrassende nieuwe manier van warmtegeleiding door een vacuüm zonder medium, die wordt bereikt door de intrigerende fluctuaties in het kwantumvacuüm. Dus, Ik had het bij het verkeerde eind bij mijn examen uit 1994. Nutsvoorzieningen, je kunt schreeuwen door een vacuüm."