Όταν αγγίζετε μια ζεστή επιφάνεια, αισθάνεστε κίνηση. Εάν πιέσετε το χέρι σας σε μια κούπα τσαγιού, η ζεστασιά απλώνεται στα δάχτυλά σας. Αυτή είναι η αίσθηση δισεκατομμυρίων ατόμων που χτυπούν από κοινού. Οι μικροσκοπικές δονήσεις μεταφέρουν θερμική ενέργεια από το νερό στην κούπα και στη συνέχεια στο δέρμα σας καθώς ένα μόριο χτυπάει στο επόμενο, το στέλνει σε ένα τρίτο - και ούτω καθεξής κάτω από τη γραμμή.
Η θερμότητα μπορεί επίσης να διασχίσει το διάστημα ως κύματα ακτινοβολίας, αλλά χωρίς ακτινοβολία, χρειάζεται υλικά για να περάσει μέσα - μόρια για να χτυπήσει σε άλλα μόρια. Τα κενού δεν έχουν "ουσία" σε αυτά, έτσι τείνουν να παγιδεύουν τη θερμότητα. Στην τροχιά της Γης, για παράδειγμα, μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στον τομέα της μηχανικής είναι να υπολογίσουμε πώς να κρυώσει ένα πλοίο πυραύλων.
Αλλά τώρα, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι, σε μικροσκοπικές κλίμακες, αυτό δεν είναι αλήθεια. Σε μια νέα δημοσίευση που δημοσιεύθηκε στις 11 Δεκεμβρίου στο περιοδικό Nature, οι φυσικοί έδειξαν ότι οι ελάχιστες δόνησης της θερμότητας μπορούν να διασχίσουν εκατοντάδες νανόμετρα κενών χώρων. Το πείραμά τους εκμεταλλεύτηκε ένα εκπληκτικό χαρακτηριστικό του κβαντικού κενού: δεν είναι πραγματικά άδειο.
"Δείξαμε ότι δύο αντικείμενα είναι σε θέση να" μιλούν "ο ένας στον άλλο σε έναν κενό χώρο, για παράδειγμα εκατοντάδες νανομέτρων", δήλωσε ο Hao-Kun Li, συν-επικεφαλής της μελέτης. Ο Λι είναι φυσικός στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ο οποίος εργάστηκε σε αυτή την έρευνα ενώ ήταν φοιτήτρια διδακτορικού στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Μπέρκλεϊ.
Εκατοντάδες νανομέτρων είναι ένας απειροελάχιστος χώρος από ανθρώπινη άποψη - μερικές χιλιοστά του χιλιοστού ή λίγο μεγαλύτερος από έναν τυπικό ιό. Αλλά αυτό είναι ακόμα πολύ μεγάλο κενό για τη διέλευση της θερμότητας, τουλάχιστον σύμφωνα με τα απλά μοντέλα μεταφοράς θερμότητας.
Το 2011, οι ερευνητές άρχισαν να υποθέτουν ότι το ίδιο το κβαντικό κενό μπορεί να μεταφέρει τους μοριακούς κραδασμούς της θερμότητας. Ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Applied Physics Letters επεσήμανε ότι, στην κβαντική φυσική, το κενό εννοείται ως ένας τόπος που περιστρέφεται με ενέργεια. Οι τυχαίες διακυμάνσεις της ύλης και της ενέργειας πέφτουν στην ύπαρξη και στη συνέχεια εξαφανίζονται, γενικά σε κλίμακες πολύ μικρότερες από ό, τι οι άνθρωποι μπορούν να φανταστούν.
Αυτές οι διακυμάνσεις είναι χαοτικές και απρόβλεπτες. Αλλά θα μπορούσαν να δράσουν σαν πέτρες για να φέρουν ένα κύμα θερμότητας - με τη μορφή μιας κβαντικής διέγερσης γνωστής ως φωνόν - μέσα από ένα κενό. Εάν ήσαστε φωνοφόρος που θέλει να περάσει ένα μεγάλο χάσμα, ας πούμε, μερικές ίντσες, οι πιθανότητες των σωστών διακυμάνσεων που συμβαίνουν στη σωστή σειρά να σας μεταφέρουν θα ήταν τόσο χαμηλές ώστε η προσπάθεια θα ήταν άσκοπη.
Αλλά μειώστε την κλίμακα, έδειξαν οι ερευνητές και βελτιώθηκαν οι πιθανότητες. Σε περίπου 5 νανόμετρα, αυτός ο περίεργος κβαντικός hopscotch θα γίνει ο κυρίαρχος τρόπος μεταφοράς της θερμότητας σε κενό χώρο - υπερβαίνοντας ακόμη και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που προηγουμένως θεωρείται ότι είναι ο μόνος τρόπος για τη διέλευση της ενέργειας από το κενό.
Ακόμα, αυτοί οι ερευνητές προέβλεπαν ότι το αποτέλεσμα θα ήταν σημαντικό μόνο μέχρι μια κλίμακα περίπου 10 νανομέτρων. Αλλά βλέποντας οτιδήποτε σε κλίμακα 10 νανομέτρων είναι δύσκολη.
"Όταν σχεδιάσαμε το πείραμα, συνειδητοποιήσαμε ότι αυτό δεν μπορεί να γίνει εύκολα", δήλωσε ο Λι στο Live Science.
Ακόμη και αν συμβεί το φαινόμενο, η χωρική κλίμακα είναι τόσο μικρή που δεν υπάρχει καλός τρόπος να μετρηθεί με ακρίβεια. Για να παραχθεί η πρώτη άμεση παρατήρηση της θερμότητας που διασχίζει ένα κενό, οι φυσικοί του Πανεπιστημίου του Μπέρκλεϊ κατάλαβαν πώς να κλιμακώσουν το πείραμα.
«Σχεδιάσαμε ένα πείραμα που χρησιμοποιεί πολύ μαλακές μηχανικές μεμβράνες», που σημαίνει ότι είναι πολύ ελαστικές ή ελαστικές, είπε ο Li.
Εάν βγάζετε μια άκαμπτη χορδή από χάλυβα χάλυβα, εξήγησε, οι δονήσεις που θα προκύψουν θα είναι πολύ μικρότερες από αυτές που θα δείτε εάν βγάλατε μια πιο ελαστική νάιλον χορδή κιθάρας με την ίδια δύναμη. Το ίδιο συνέβη και με τη νανοκλίμακα στο πείραμα: Αυτές οι εξαιρετικά ελαστικές μεμβράνες επέτρεψαν στους ερευνητές να δουν μικροσκοπικές θερμότητες που διαφορετικά δεν θα ήταν ορατές. Με την προσεκτική αναπήδηση του φωτός από τις μεμβράνες αυτές, οι ερευνητές μπόρεσαν να παρατηρήσουν φωνόνια της θερμότητας που διασχίζουν το ακόμα μικρό κενό.
Κάτω από το δρόμο, δήλωσε ο Λι, αυτό το έργο μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμο - τόσο για ανθρώπους που κατασκευάζουν τακτικούς υπολογιστές όσο και για σχεδιαστές κβαντικών υπολογιστών.
Ένα βασικό πρόβλημα στην οικοδόμηση καλύτερων και ταχύτερων μικροτσίπ είναι η εξεύρεση τρόπων διασποράς της θερμότητας από τα κυκλώματα που συγκεντρώνονται σε μικρούς χώρους, είπε ο Λι.
"Το εύρημα μας υπονοεί ότι θα μπορούσατε να σχεδιάσετε το κενό για να διαλύσετε τη θερμότητα από τσιπ υπολογιστών ή συσκευές νανοκλίμακας", είπε.
Εάν θέλετε να συντονίσετε το κενό, διαμορφώνοντάς το σωστά με τα σωστά υλικά, ίσως - στο μέλλον - να γίνει πιο αποτελεσματικό να τραβάτε τη θερμότητα από ένα τσιπ από οποιοδήποτε υπάρχον μέσο, είπε.
Οι τεχνικές που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την εμπλοκή των φωνόνων - των ίδιων των δονήσεων - σε διαφορετικές μεμβράνες. Αυτό θα συνέδεε τα φωνόνια σε ένα κβαντικό επίπεδο με τον ίδιο τρόπο που οι κβαντικοί φυσικοί συνδέουν ήδη φωτόνια ή ελαφριά σωματίδια που χωρίζονται στο διάστημα. Μόλις συνδεθούν, τα φωνόνια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση και τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών, για να λειτουργήσουν ως "μηχανικά qubits" ενός υποθετικού κβαντικού υπολογιστή. Και μόλις κρυώσει, είπε, τα φωνόνια θα πρέπει να είναι ακόμα πιο αποτελεσματικά στη μακροπρόθεσμη αποθήκευση δεδομένων από τα παραδοσιακά qubits.
