Pieskaroties karstā virsmai, jūs jūtat kustību. Nospiežot roku pret tējas krūzi, siltums izplatās caur pirkstiem. Tā ir sensācija, ka miljardi atomu saplīst kopā. Nelielas vibrācijas pārnes siltumenerģiju no ūdens uz krūzi un pēc tam ādā, kad viena molekula iedziļinās nākamajā, nododot to kopšanai trešajā - un tā tālāk.
Siltums var arī šķērsot telpu kā starojuma viļņi, bet bez starojuma tam ir nepieciešams priekšmets, kas iziet cauri - molekulas, lai sprāgtu citās molekulās. Vakuumos tajos nav "sīkumu", tāpēc tiem ir tendence slazdīt siltumu. Piemēram, Zemes orbītā viens no lielākajiem inženierijas izaicinājumiem ir izdomāt, kā atdzesēt raķešu kuģi.
Bet tagad pētnieki ir parādījuši, ka mikroskopiskos svaros tas nav īsti taisnība. Jaunajā rakstā, kas publicēts 11. decembrī žurnālā Nature, fiziķi parādīja, ka nelielas siltuma vibrācijas var šķērsot simtiem nanometru tukšas vietas. Viņu eksperimentā tika izmantota nekaunīga kvantu vakuuma īpašība: Tas nemaz nav tukšs.
"Mēs parādījām, ka divi objekti spēj" sarunāties "savā starpā, piemēram, simtiem nanometru tukšā vietā," sacīja pētījuma līdzautors Hao-Kun Li. Li ir fiziķis Stenfordas universitātē, kurš strādāja pie šī pētījuma, kamēr viņš bija doktorants Kalifornijas universitātē Bērklijā.
Simtiem nanometru ir cilvēka ziņā bezgalīga telpa - dažas tūkstošdaļas milimetru vai mazliet lielākas par tipisku vīrusu. Bet tas joprojām ir pārāk liels, lai siltumu šķērsotu, vismaz saskaņā ar vienkāršajiem siltuma pārneses modeļiem.
2011. gadā pētnieki sāka spekulēt, ka pats kvantu vakuums, iespējams, varētu pārvadāt siltuma molekulārās vibrācijas. Žurnālā Applied Physics Letters publicētajā dokumentā tika norādīts, ka kvantu fizikā vakuums tiek saprasts kā vieta, kas rotājas ar enerģiju. Nejaušas matērijas un enerģijas svārstības parādās un pēc tam pazūd, parasti mērogos, kas ir daudz mazāki, nekā cilvēki var iedomāties.
Šīs svārstības ir haotiskas un neparedzamas. Bet tie varētu rīkoties kā pakāpieni, lai pārvirzītu karstuma vilni - kvantu ierosmes veidā, kas pazīstams kā fonons - pāri spraugai. Ja jūs būtu telefons, kurš mēģinātu šķērsot plašu, piemēram, dažu collu spraugu, pareizo svārstību pareizā secībā, lai nokļūtu jūs, varbūtība būtu tik zema, ka centieni būtu bezjēdzīgi.
Bet samaziniet mērogu, pētnieki parādīja, un izredzes uzlabojas. Apmēram 5 nanometru augstumā šis dīvainais kvantu lēciens kļūs par dominējošo veidu, kā nodot siltumu tukšā telpā - pārspējot pat elektromagnētisko starojumu, kas iepriekš tika uzskatīts par vienīgo enerģijas padeves veidu, lai šķērsotu vakuumu.
Tomēr šie pētnieki prognozēja, ka efekts būs ievērojams tikai aptuveni 10 nanometru mērogā. Bet kaut ko redzēt 10 nanometru skalā ir grūti.
"Kad mēs izstrādājām eksperimentu, mēs sapratām, ka to nevar viegli izdarīt," Li stāstīja Live Science.
Pat ja efekts notiek, telpiskais mērogs ir tik mazs, ka nav laba paņēmiena, kā to pārliecinoši izmērīt. Lai veiktu pirmo tiešo siltuma novērošanu, kas šķērso vakuumu, UC Berkeley fiziķi izdomāja, kā palielināt eksperimenta virzienu.
"Mēs izstrādājām eksperimentu, kurā tika izmantotas ļoti mīkstas mehāniskās membrānas," kas nozīmē, ka tās ir ļoti elastīgas vai elastīgas, sacīja Li.
Viņš paskaidroja, ka, noplūkot stingru tērauda ģitāras stīgu, iegūtā vibrācija būs daudz mazāka nekā tā, ko jūs redzētu, ja noplūkāt elastīgāku neilona ģitāras stīgu ar tādu pašu spēku. Tas pats notika eksperimentā ar nanomērogu: Šīs īpaši elastīgās membrānas ļāva pētniekiem redzēt sīkas siltuma vibrācijas, kuras citādi nebūtu redzamas. Rūpīgi atvairot gaismu no šīm membrānām, pētnieki varēja novērot karstuma fononus, šķērsojot joprojām mazās daļiņas spraugu.
Ceļā, Li sacīja, šis darbs varētu izrādīties noderīgs - gan ļaudīm, kas būvē regulārus datorus, gan kvantu datoru dizaineriem.
Li teica, ka galvenā problēma, veidojot labākus un ātrākus mikroshēmas, ir izdomāt, kā izkliedēt siltumu no ķēdēm, kas sagrupētas mazās telpās.
"Mūsu atradums faktiski nozīmē, ka jūs varētu inženierijas vakuumu, lai izkliedētu siltumu no datoru mikroshēmām vai nanomēroga ierīcēm," viņš teica.
Viņš teica, ka, ja jūs noregulētu vakuumu, pareizi veidojot to ar pareizajiem materiāliem, tas nākotnē - daudz nākotnē - varētu kļūt efektīvāks siltuma atdalīšanai no mikroshēmas nekā jebkurš cits līdzeklis.
Pētnieku izmantotās metodes varēja izmantot arī fononu - pašu vibrāciju - sapīšanai dažādās membrānās. Tas sasaistītu fononus kvantu līmenī tādā pašā veidā kvantu fiziķi jau sasaista fotonus vai gaismas daļiņas, kas ir atdalītas telpā. Kad fononi ir savienoti, tos var izmantot kvantu informācijas glabāšanai un pārsūtīšanai, lai darbotos kā hipotētiska kvantu datora "mehāniskās kvests". Un, pēc atdzišanas, viņš sacīja, ka fononiem ilgtermiņa datu glabāšanā vajadzētu būt vēl efektīvākiem nekā tradicionālajiem kvestiem.
