Учените откриха нов начин за прехвърляне на енергия през вакуум

Още от най-ранна възраст децата бързо разбират, че допирът до горещия котлон е болезнен. Независимо дали чрез допир до гореща повърхност или чрез фокусираните в една точка слънчеви лъчи, болезнените уроци от опарването при преноса на топлина са колкото интуитивни, толкова и незабравими. Но сега учените откриха нов необичаен начин с помощта на който топлината може да се премести от точка А в точка Б. Благодарение на странните квантово-механични свойства, топлината може да преминава от едно място към друго без каквото и да било излъчване.

Ако погледнем по-опростено на нещата, топлината е енергията, която възниква от движението на частиците: колкото по-бързо се движат те, толкова топлината е по-голяма. В космически мащаби по-голямата част от топлообмена се осъществява през вакуума с помощта на фотоните – частици светлина, изпускани от звездите. Именно по този начин Слънцето нагрява нашата планета въпреки, че се намира на 150 милиона километра от нас. Тук, на Земята, топлинният поток е по-близък и топлообменът се осъществява чрез директен контакт между материалите и се поддържа от вълнообразните съвместни трептения на атомите, за което са отговорни квазичастиците, наречени от учените фонони.

От дълго време се считаше, че фононите не могат да предават топлинна енергия през празно пространство – необходимо е двата обекта да се докосват или и двата да се намират в подходяща среда – вода, въздух и т.н. Именно по този начин термосите така ефективно съхраняват топлината – между двата слоя метал се създава вакуум, с което силно се намалява топлообменът между горещата напитка и външната среда. Въпреки това, учените от години размишляват за възможността фононите да прехвърлят топлина и през вакуум. Причината е, че квантовата механика твърди, че пространството никога не може да бъде наистина празно.

Квантовата механика предполага, че природата на Вселената е неточна. Според принципа на неопределеността на Хайзенберг, няма как едновременно да се определят импулса и положението на една субатомна частица. Следствието от тази неопределеност е, че вакуумът никога не е напълно пуст, а буквално жужи от квантови флуктуации. Това са така наречените виртуални частици, които непрекъснато се появяват и изчезват.

„Вакуумът никога не е просто вакуум“ – твърди Сян Чжан, физик от Калифорнийския университет в Бъркли и старши автор на новото изследване за фононен топлообмен, публикувано като научна работа в списание Nature през месец декември миналата година.

Още преди десетилетия учените откриха, че виртуалните частици не са просто теоретични предположения, но и могат да генерират сили, които да бъдат измерени. Добре познат е ефектът на Казимир, който описва силата на притегляне възникваща между много близо разположение обекти. Например, между две огледала, разположени във вакуум близо едно до друго. Поради това, че между огледалата можгат да да се образуват само определен тип виртуални фотони, тяхното налягане между двете огледала е по-малко извън тях, където могат да се образуват всякакви виртуални фотони. Това е и причината между двете огледала да възниква сила на притегляне.

Оттук се прави съвсем логичен извод: ако квантовите флуктуации могат да доведат до възникването на съвсем реални сили, то е напълно възможно те да могат да правят и други неща, като например обмен на топлина без топлинно излъчване. За да разберем, по какъв начин може да стане нагряването на фононите с помощта на квантовите флуктуации, нека си представим два обекта с различни температури, отделени един от друг с вакуум. Фононите от по-топлия обект биха могли да предадат топлинната си енергия на виртуалните фотони във вакуума и след това да предадат тази енергия на по-хладния обект. Образно казано, ако двата обекта по принцип са струпвания на осцилиращи атоми, то виртуалните частици могат да действат като микро пружини, които да прехвърлят вибрациите от едното тяло към другото.

Въпросът, дали квантовите флуктуации могат наистина могат да помогнат на фононите да прехвърлят топлина през вакуум се обсъжда от около едно десетилетие, споделя физикът Джон Пендри от имперския колеж в Лондон, който не е взел участие в новото изследване. Според него, всички опити са правени по такъв начин, че обектите са били поставяне на разстояние едва около един нанометър. При подобни разстояния електрическите взаимодействия и другите сили лесно могат да прикрият фононния ефект, което силно ще затрудни неговото измерване.

За да се справи с този проблем Чжан и неговите колеги в продължение на 4 години провеждат експерименти с разстояния между обектите около 100 нанометра. В тези експерименти се използват две мембрани от силициев нитрид, всяка с дебелина около 100 нанометра. Тези листи-мембрани са необичайно тънки и леки и дават възможност за по-добро регистриране на прехвърлянето на топлинна енергия от единия към другия. Вибриращите атоми в тези листи принуждават техните мембрани да осцилират чрез огъване напред и назад с честота, която съвсем точно зависи от тяхната температура.

Екипът на Чжан бързо разбира, че еднаквите мембрани с различна температура осцилират с различна честота. В рамките на своя експеримент те са използвали мембрани с такива размери, че при различни температури (13,85 и 39,35 градуса по Целзий) те осцилират с една и съща честота – 191 600 Hz. А два обекта с една и съща резонансна честота много по-ефективно обменят енергия.

Освен това учените са поставили двете мембрани строго паралелно една към друга на разстояние няколко стотици нанометра, като техните повърхности са изключително гладки с дефекти на повърхността под 1,5 микрона. Те са поставени във вакуумна камера, като едната мембрана е свързана с нагревател, а другата с охладител. И двете са покрити с тънък слой злато за по-добра отразяваща способност и са осветени от слаби лазери, чрез светлината на които може да се измерят техните честоти на осцилация и съответно – техните температури. По време на експеримента учените са обърнали специално внимание мембраните да не обменят топлина нито чрез повърхността, на която са закрепени, нито чрез каквото и да било излъчване на видима светлина, нито чрез каквото и да било друго електромагнитно излъчване през вакуума.

„Този експеримент изискваше изключително тона регистрация и контрол на температурата и разстоянието между пластините-мембрани“ – споделя Чжан. „Веднъж имахме проблеми с провеждане на експеримента в средата на лятото, поради твърде горещото време, заради което температурата в нашата лаборатория се покачи. Осен това много време отнемат и мерките за премахване влиянието на шумовете – за всяко измерване са необходими около четири часа“

В края на краищата Чжан и неговите колеги откриха, че когато мембраните са поставени на разстояние под 600 нанометра, те започват да демонстрират необясними и неизвестни към днешен ден начини за топлообмен и промяна на температурите. А при разстояние под 400 нанометра скоростта на топлообмена става достатъчна, за да се изравни температурата на двете мембрани, като по този начин се демонстрира ефективността на този метод за пренос на топлина.

След като получиха успешни, надеждни и повтарящи се резултати, учените успяха да пресметната количеството енергия, предавана чрез вакуума. Това са около 6,5 × 10^–21 джаула в секунда. При подобна скорост на пренос на топлината са необходими приблизително 50 секунди, за да се предаде енергията на само един фотон видима светлина. Тази цифра може и да изглежда нищожна, но Чжан отбелязва, че именно такъв е новооткритият механизъм за пренос на топлина между обектите във вакуум.

По принцип, звездите могат да нагряват своите планети и чрез този механизъм за топлообмен. Но като се има предвид колко са големи разстоянията, то ефектът ще е толкова малък, че няма да окаже особено влияние на температурите на планетите.

Реалните възможности за използване на новия вид за пренос на топлина са в електрониката.

„Така например, в хард дисковете магнитната глава за четене и запис на данните се премества над повърхността на диска на разстояние едва три нанометра. При подобни разстояния новооткритият ефект започва да играе важна роля и той следва да бъде отчитан при създаването на електронни устройства от подобен тип“ – каза още Чжан.

Сега екипът учени започва нов проект, в който ще проучи дали квантовите флуктуации на гравитационните полета могат да доведат до възникването на подобен пренос на топлина в космически мащаби.