29 май 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Топлината може да се предава по неизвестен досега начин

Квантовите колебания могат да предават топлина във вакуум

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 15 декември 2019 в 00:0594320
Кредит: Wikimedia Commons

Със странен вид квантов скок може да се пренесе топлина през област на пълен вакуум без никакви частици.

Незначителни квантови колебания във вакуума позволяват на топлината да прескача между два обекта, които не се допират един до друг или излъчват каквато и да е форма на светлина.

Вакуумът обикновено е много добър изолатор (всеки знае как действа термосът), но на квантово ниво дори пълният вакуум не е напълно празен - в него има квантови колебания на енергията.

През 1948 г. холандският физик Хендрик Казимир прогнозира, че тези колебания могат да създадат сила, която привлича два обекта във вакуум един към друг или т. нар. ефект на Казимир.

Какво представлява този ефект:

Ако се вземат две незаредени близко разположени металните пластини с отразяващи повърхности на разстояние от няколко атомни диаметри, те ще бъдат привлечени една към друга заради флуктуациите на разположения между тях вакуум, който непрекъснато произвежда двойки частици и античастици. В пространството помежду пластините се получават резонансни вълни, които цяло или полуцяло число пъти се поместват между повърхностите като електромагнитните вълни се усилват.

Отрицателна маса
Илюстрация: wikipedia

Всички останали дължини, които са по-големи, се потискат, т.е. се потиска раждането на съответните виртуални фотони. Това се дължи на факта, че в пространството между пластините може да съществуват само стоящи вълни, чиято амплитуда е равна на нула. В резултат на това налягането на виртуалните фотони между двете повърхности е по-малко от налягането върху тях отвън, там, където раждането на фотони е неограничено. Колкото по-близо една до друга са повърхностите, толкова по-малка е дължината на вълните в резонанс и толкова повече се оказват потушени. В резултат на това, се увеличава силата на привличане между повърхностите. 

Този ефект донякъде е подобен на привличането на плуващи прекалено близо един до друг кораби в океана.

Предполагаше се теоретично, че този ефект може да накара и топлината да прескочи вакуума, но в малки мащаби и това никога досега не е измервано.

Хао-Кун Ли (Hao-Kun Li) от Калифорнийския университет в Бъркли и неговите колеги използват ефекта Казимир, за да демонстрират скок на топлина между две малки мембрани, подобни на барабан. Двете мембрани са поставени във вакуум на разстояние около 300 нанометра (по-малко от 5 процента ширината на средна червена кръвна клетка) и всяка мембрана огражда резервоар с различна температура.

Топлината от резервоарите кара двата барабана да вибрират, по-горещият - по-бързо от по-студения. Поради ефекта на Казимир, тези два набора вибрации се свързват на квантово ниво, така че по-горещата мембрана предава топлина на по-студената, докато и двете не завибрират с приблизително еднаква скорост, което означава, че имат сходна температура.

Fong et al. показват, че фононите - вибрации в атомната решетка - могат да се транспортират между обекти, които са разделени от вакуумна празнина. Да си представим, че единият обект има фиксирана температура T1 . При термично разбъркване на атомите на обекта се получават фонони, които се разпространяват като акустични вълни и предизвикват на повърхността на обекта появата на променящи се във времето вълни (амплитудите на показаните вълни са увеличени за яснота). Вторият обект, с фиксирана температура Т 2  <  T 1, се доближава до първия обект като остава между обектите вакуумна празнина. Вълнообразното движение на повърхността на първия обект предизвиква променяща се във времето сила на Казимир (причинена от квантовите колебания) върху повърхността на втория обект, което поражда фонони във втория обект. Тъй като фононите са топлоносители, топлината се прехвърля от първия обект във втория.

Акустичните и електромагнитните вълни могат да транспортират топлина между обектите чрез съответните им носители на енергия: фонони и фотони. При стайна температура топлопредаването между обекти, разделени от материална среда, става с много по-висока скорост, когато е с фонони, отколкото с фотони. 

Според класическата физика няма начин да се прехвърлят вибрации от едната мембрана към другата без някаква частица като фотон, но с квантовите колебания и ефекта на Казимир това е възможно, обяснява Ли. „Така вибрацията на един обект може да повлияе на вибрацията на друг обект.“

Сега екипът експериментално доказа, че фононите -  вибрации в атомната решетка - могат да преминават през вакуумна празнина и затова индуцират пренос на топлина между отделени от вакуум обекти заради ефекта на Казимир.

Този ефект може да бъде използван за контрол на топлопредаването в наноразмерни устройства.

„Топлината е голям проблем в нанотехнологиите, тъй като ограничава броя на изчисленията, които една верига може да направи и бързината. Сега, когато този ефект е демонстриран, може да се използва за охлаждане на платки хиляди пъти по-бързо, отколкото просто да чакаме да отделят топлината в средата, което би могло да ни позволи да изградим по-бързи компютри", отбелязва Джон Пендри (John Pendry) от Имперския колеж в Лондон.

Справка: Nature, Fong et al., DOI: 10.1038/s41586-019-1800-4

Източник: 

Heat can quantum leap across a totally empty vacuum, NewScientist

Heat transferred in a previously unknown way, Nature


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.