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基于量子力学的怪异,热能跃过真空的空间

来源:互联网添加时间:2020/07/02 点击:

如果使用通常的真空绝缘的热水瓶来帮助保温,我们知道它是一种很好的绝缘体,因为热能很难穿过真空的空间。如果里面没有原子或分子,则热能无法传播。

但是,加州大学伯克利分校的研究人员所做的一项新研究表明,量子力学的怪异特性如何甚至可以颠覆古典物理学的这一基本原则。这项研究发表在刚出的《自然》科学杂志上,该研究表明,由于称为卡西米尔相互作用的量子力学现象,热能可以跨越数百纳米的完整真空。

尽管这种相互作用仅在非常短的长度范围内才有意义,但对于散热至关重要的计算机芯片和其他纳米级电子组件的设计可能会产生深远的影响。这也颠覆了我们许多人中学到的关于传热的知识。

指导该研究的加州大学伯克利分校机械工程学教授张翔(Xiang Zhang)说,“热量通常是通过原子或分子或所谓的声子的振动在固体中传导的,但是在真空中没有物理介质。因此,多年以来,教科书告诉我们,声子不能在真空中传播。令人惊讶的是,我们发现,声子确实可以通过看不见的量子涨落在真空中转移。”

张翔,1985年南京大学物理系本科毕业,1988年同校硕士毕业,1989年赴美留学,1996年获加州大学伯克利分校机械工程系博士,曾任该校讲座教授。他主持研制的隐身衣,被《时代》杂志列入2008年十大科学发现。2010年藉研发首个光学完美透镜而当选为美国国家工程院院士。2012年受聘为“南京大学校长人才工作顾问”,台湾中央研究院该年新增的2位中国大陆本科背景的院士之一。2017年获任为香港大学第16任校长。

通过分子力学在真空中移动分子振动似乎是不可能实现的,因为根据量子力学,不存在真正的真空空间。即使有一个空的空间,量子力学说它不可能是真正的空。真空中仍然存在一些量子场的波动。这些波动会产生一种将两个物体连接在一起的力,称为卡西米尔相互作用。因此,当一个物体变热并开始振动和振荡时,由于这些量子,该运动实际上由于量子涨落(quantum fluctuation)可以通过真空传递给另一个物体。

该项新研究表明,由于看不见的量子涨落,热能可以通过完全的真空而传播。为了进行这项具有挑战性的实验,该团队设计了极薄的、在无尘无尘室中制造的氮化硅膜,然后使用光学和电子组件来精确控制和监控膜片在真空中锁定时的温度。

在实验中,研究小组在真空室内放置了两个相距几百纳米的镀金氮化硅膜。当它们加热其中一个膜时,另一个也被加热,即使两个膜之间没有任何连接,并且在它们之间通过的光能也可以忽略不计。

该研究小组人员、也是该研究第一作者、李浩坤(Hao-Kun Li)博士表示,“这个传热的新机制的发现为纳米级的热量管理打开了前所未有的机遇,这对于高速计算和数据存储非常重要。” “现在,我们可以设计量子真空以提取集成电路中的热量。”

尽管长期以来,理论家一直认为卡西米尔相互作用可以帮助分子振动在空旷的空间中传播,但实验证明它是一项相当大的挑战。为此,该研究团队设计了极薄的氮化硅膜,它们是在无尘无尘室中制造的,然后设计了一种精确控制和监测其温度的方法。

他们发现,通过仔细选择膜的尺寸和设计,可以将热能传递到数百纳米的真空中。这个距离足够远,以至于其他可能的热传递模式都可以忽略不计,例如电磁辐射所携带的能量,这就是来自太阳的能量如何加热地球。张说,“由于分子振动也是我们听到声音的基础,这一发现暗示了声音也可以通过真空传播。”

参考资料:Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations, Nature. Published: 11 December 2019