У ранньому віці більшість дітей дізнаються, що дотик до гарячої плити може обпалити їх. Чи то прямий контакт з гарячою поверхнею або промені Сонця, сфокусовані в одній точці за допомогою лупи, хворобливі уроки теплопередачі настільки ж інтуїтивні, наскільки і незабутні. Однак тепер вчені відкрили новий незвичайний спосіб, за допомогою якого тепло може переміщатися з точки А в точку Б. Завдяки дивним квантово-механічними властивостями порожнього простору, тепло може переміщатися з одного місця в інше взагалі без допомоги випромінювання.
Говорячи простою мовою, тепло – це енергія, яка виникає від рухів частинок: чим швидше вони рухаються, тим вони гарячіші. У космічних масштабах велика частина теплопередачі відбувається через вакуум завдяки фотонам – частинкам світла, що випускаються зірками: саме так Сонце нагріває нашу планету, незважаючи на те, що воно знаходиться на відстані близько 150 мільйонів кілометрів від нас. Тут, на Землі, тепловий потік часто більш інтимний, і теплопередача відбувається через прямий контакт між матеріалами і підтримується хвилеподібним колективним коливаннями атомів, за які відповідають квазічастинки – фонони.
Довгий час вважалося, що фонони не можуть передавати теплову енергію через порожній простір; вони вимагають, щоб два об’єкти торкались або, принаймі, перебували у взаємному контакті з сприятливим середовищем, таке як повітря. Саме це дозволяє термосу ефективно зберігати тепло: між двома шарами металу знаходиться вакуум, через що теплообмін між внутрішньою капсулою з чаєм і зовнішньою практично зведений нанівець. Проте, вчені роками розмірковували про можливість того, що фонони можуть передавати тепло через вакуум, посилаючись на незвичайний факт: квантова механіка диктує, що простір ніколи не може бути по-справжньому порожнім.
Квантова механіка передбачає, що Всесвіт за своєю природою неточний: принцип невизначеності Гейзенберга говорить, що як би ви не старалися, ви не зможете визначити імпульс і положення субатомної частки одночасно. Наслідком цієї невизначеності є те, що вакуум ніколи не буває повністю порожнім, а замість цього гуде від квантових флуктуацій – так званих віртуальних частинок, які постійно з’являються і зникають. «Вакуум ніколи не буває повністю вакуумом», – говорить Сян Чжан, фізик з Каліфорнійського університету в Берклі і старший автор нового дослідження по фотоновому теплообміну, опублікованого в журналі Nature в грудні минулого року.
Десятиліття тому вчені виявили, що віртуальні частинки були не просто теоретичними припущеннями, вони цілком здатні генерувати силу. Так, існує ефект Казимира – він описує силу тяжіння, що спостерігається між певними об’єктами в безпосередній близькості: наприклад, між двома дзеркалами, розташованими близько один до одного в вакуумі. Через те, що між дзеркалами можуть утворюватися тільки певні віртуальні фотони, їх світловий тиск всередині виявляється менше, ніж зовні дзеркал, де можуть утворюватися будь-які фотони – так і виникає сила тяжіння.
Звідси будується цілком простий висновок: якщо квантові флуктуації можуть привести до виникнення реальних сил, то, можливо, вони можуть робити і інші речі, такі як передача тепла без теплового випромінювання. Щоб зрозуміти, як може працювати нагрівання фононів за допомогою квантових флуктуацій, уявіть собі два об’єкти з різними температурами, відокремлені один від одного вакуумом. Фонони в більш теплому об’єкті могли б передавати теплову енергію віртуальним фотонам в вакуумі, які потім могли б передавати цю енергію більш холодному об’єкту. Якщо обидва об’єкти є по суті скупчення тих, атомів, що коливаються, віртуальні частинки можуть діяти як мікропружини, допомагаючи переносити коливання від одного тіла до іншого.
Питання про те, чи можуть квантові флуктуації дійсно допомогти фононам переносити тепло через вакуум, «обговорювалося теоретиками протягом десятиліття або близько того, іноді з абсолютно різними оцінками сили ефекту», – говорить фізик Джон Пендрі з Імперського коледжу Лондона, який не брав участі в новому дослідженні. В цілому, всі сходилися на тому, що ефект буде помітний з об’єктами, рознесеними за всі на нанометр, пояснює він. А на таких крихітних відстанях електричні взаємодії або інші нанорозмірні явища між об’єктами можуть легко приховати цей фононний ефект, що утруднить його вимір.
Щоб впоратися з цією проблемою, Чжан і його колеги чотири роки проводили експерименти методом проб і помилок, щоб зрозуміти, чи зможуть вони досягти фононної теплопередачі в вакуумі на масштабах в сотні нанометрів. У тому експериментах використовувалися дві мембрани з нітриду кремнію, кожна товщиною приблизно 100 нанометрів. Будучи незвично легкими і тонкими, такі листи спрощували завдання розуміння того, як енергія одного листа впливає на інший. Хиткі атоми в листах змушують кожну мембрану згинатися взад і вперед на частотах, які залежать від їх температури.
Схема установки Чжана.
Команда Чжана швидко зрозуміла, що однакові листи з різними температурами будуть коливатися з різною частотою. У підсумку вони підібрали розміри мембран таким чином, щоб при різних температурах (13.85 і 39.35 градусів за Цельсієм відповідно) вони коливалися з однаковою частотою 191 600 Гц. Два об’єкти, резонують на одній і тій же частоті, мають тенденцію ефективно обмінюватися енергією: багатьом знайомий приклад резонансу, коли оперний співак підбирає потрібну ноту, щоб змусити келих шампанського розбитися.
Крім того, дослідники подбали про те, щоб мембрани перебували паралельно один одному на відстані в кілька сотень нанометрів, і при цьому були надзвичайно гладкими, з дефектами поверхні не більше 1.5 нанометрів. Закріплені у вакуумній камері, одна мембрана була пов’язана з нагрівачем, а інша – з охолоджувачем. Обидві вони були покриті тонким шаром золота для кращої відбивної здатності і були висвітлені слабкими лазерами, щоб виявити їх коливання і, отже, і температуру. В процесі експерименту вчені перевірили, що мембрани не обмінюються теплом ні через поверхню, на якій вони були закріплені, ні через будь-яке випромінювання видимого світла, ні за допомогою будь-якого іншого електромагнітного випромінювання через вакуум.
«Цей експеримент вимагав дуже чутливого контролю температури і відстані між пластинами», – говорить Чжан. «Одного разу у нас були проблеми з проведенням експерименту влітку через спекотну погоду, яка порушувала температуру в лабораторії. Крім того, сам експеримент займає дуже багато часу для усунення впливу шумів – для кожного вимірювання знадобилося чотири години ».
Зрештою, Чжан і його колеги виявили, що коли мембрани були рознесені на відстань менше 600 нанометрів, вони почали демонструвати незрозумілі відомими способами теплопередачі зміни температури. При відстані менше 400 нанометрів швидкість теплообміну була достатньою для того, щоб мембрани мали майже ідентичну температуру, демонструючи ефективність нового методу теплопередачі.
Зовнішній вигляд установки.
Отримавши успішні результати, дослідники змогли розрахувати максимальну кількість енергії, переданої через вакуум: близько 6.5 × 10 -21 джоулів в секунду. При такій швидкості теплообміну буде потрібно близько 50 секунд, щоб передати кількість енергії, що міститься всього в одному фотоні видимого світла. Ця цифра може здатися незначною, але Чжан зазначає, що це як і раніше «новий механізм передачі тепла між об’єктами».
В принципі, зірки можуть нагрівати свої планети через цей новий механізм теплопередачі. Однак, з огляду на задіяні відстані, величина цього ефекту буде настільки мала, що, за словами Чжан, практично ніяк не вплине на кінцеві температури планет.
Якщо говорити про реальні можливі застосування нового виду теплопередачі, то звичайно ж можна згадати про електроніку. «Наприклад, в жорстких дисках магнітна головка для читання і запису переміщається над поверхнею диска на відстані всього в три нанометра», – говорить Чжан. «На такому короткому відстані новий ефект теплопередачі, як очікується, буде відігравати важливу роль, і тому його слід враховувати при розробці магнітних записуючих пристроїв».
Чжан також зазначає, що квантові флуктуації включають в себе не тільки віртуальні фотони. «Чи можуть квантові флуктуації гравітаційних полів привести до виникнення механізму теплопередачі, який відіграє певну роль в космологічних масштабах – це цікавий відкрите питання», – каже Чжан.
