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热能通过空间跳跃,这要归功于量子的奇怪力量
admin 2020-06-04

在加州大学伯克利分校的一项新研究中,研究人员表明,由于不可见的量子涨落,热能可以通过完全的真空传播。在实验中,研究小组将两个相隔几百纳米的镀金氮化硅膜放置在真空室中。当他们加热其中一层膜时,另一层也会加热,尽管两层膜之间没有任何连接,并且可以忽略不计的光能在它们之间传递。供稿:加州大学伯克利分校张实验室(Zhang Lab

如果你使用真空隔热保温瓶来帮助你的咖啡保持热,你可能知道它是一个很好的绝缘体,因为热能很难在空旷的空间中流动。如果周围没有原子或分子,携带热能的原子或分子的振动就无法传播。

但加州大学伯克利分校(University of California,Berkeley)的研究人员进行的一项新研究表明,量子力学的奇怪之处甚至可以颠覆经典物理学的这一基本原则。

这项研究发表在本周的杂志上自然,表明热能由于一种叫做卡西米尔相互作用的量子力学现象,它可以跳过几百纳米的完整真空。

虽然这种相互作用只在非常短的长度范围内很重要,但它可能对计算机芯片和其他纳米电子元件的设计产生深远的影响,其中散热是关键。它也颠覆了我们许多人在高中物理中学到的关于传热的知识。

“热量通常通过原子或分子的振动,或所谓的声子在固体中传导,但在真空中,没有物理介质。因此,多年来,教科书告诉我们,声子不能穿过真空,”指导这项研究的加州大学伯克利分校(UC Berkeley)机械工程教授张翔说。“令人惊讶的是,我们发现声子确实可以通过不可见的量子涨落跨越真空转移。”

在加州大学伯克利分校的一项新研究中,研究人员表明,由于不可见的量子涨落,热能可以通过完全的真空传播。为了进行这项具有挑战性的实验,该团队设计了极薄的氮化硅膜,他们在无尘的洁净室中制造,然后使用光学和电子组件精确控制和监控膜被锁在真空室内时的温度。来源:维奥莱特·卡特(Violet Carter),加州大学伯克利分校

在实验中,张的团队将两个相隔几百纳米的镀金氮化硅膜放置在真空室中。当他们加热其中一层膜时,另一层也会加热-尽管两层膜之间没有任何连接,并且在它们之间传递的光能可以忽略不计。

“这一新的传热机制的发现为纳米级的热管理提供了前所未有的机会,这对于高速计算和数据存储非常重要,”张所在团队的前博士生、该研究的第一作者李浩昆(音译)说。“现在,我们可以设计量子真空来提取集成电路中的热量。”

在真空中移动分子振动这种看似不可能的壮举是可以完成的,因为根据量子力学,没有真正的东西空白空间加州大学伯克利分校的博士后学者、该研究的另一位第一作者金燕芳(King Yan Fong)说。

“即使你有空虚的空间-不管是什么,没有光-量子力学说它不可能是真的空的。在真空中仍然存在一些量子场涨落,“Fong说,”这些涨落会产生一种力,这种力连接两个物体,称为卡西米尔相互作用(Casimir Interaction)。因此,当一个物体加热并开始摇动和振荡时,由于这些量子涨落,这个运动实际上可以通过真空传输到另一个物体上。“

加州大学伯克利分校(University of California,Berkeley)的一项令人惊讶的新研究表明,由于不可见的量子涨落,热能可以通过完全的真空传播。来源:维奥莱特·卡特(Violet Carter),加州大学伯克利分校

尽管理论家们长期以来一直推测Casimir相互作用可以帮助分子振动穿越空白空间,但在实验上证明这一点一直是一个重大挑战。为了做到这一点,该团队设计了极薄的氮化硅膜,他们在无尘的洁净室中制造,然后设计出一种精确控制和监测温度的方法。

他们发现,通过仔细选择膜的尺寸和设计,他们可以在几百纳米的真空中传递热能。这个距离足够远,其他可能的模式传热可以忽略不计-比如电磁辐射携带的能量,这就是来自太阳的能量是如何加热地球的。

由于分子振动也是我们听到的声音的基础,这一发现暗示声音也可以通过真空传播,张说。“

25年前,我在伯克利大学进行博士资格考试时,一位教授问我,‘为什么你能在桌子对面听到我的声音?’我回答说,‘这是因为你的声音通过空气中的振动分子传播。’他进一步问,‘如果我们把这个房间里的所有空气分子都吸出去怎么办?你还能听到我说话吗?’我说,‘不,因为没有振动的介质,’”张说。“今天,我们发现了一种令人惊讶的新的无介质真空热传导模式,这是通过有趣的量子真空波动实现的。所以,我在1994年的考试中错了。现在,你可以通过一个真空。

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