Ko se dotaknete vroče površine, čutite gibanje. Če z roko pritisnete na skodelico čaja, se toplina širi skozi prste. To je občutek milijarde atomov, ki trepetajo skupaj. Drobne vibracije prenašajo toplotno energijo iz vode v skodelico in nato v vašo kožo, ko ena molekula trka v naslednjo, ki jo pošilja v tretjino - in tako naprej navzdol.
Toplota lahko prehaja tudi vesolje kot valovanje sevanja, vendar brez sevanja potrebujejo stvari, ki jih lahko preidejo - molekule, da se udarijo v druge molekule. Vakuumi v njih nimajo "stvari", zato ponavadi lovijo toploto. V Zemljini orbiti je na primer eden največjih inženirskih izzivov ugotovitev, kako ohladiti raketno ladjo.
Toda zdaj so raziskovalci pokazali, da na mikroskopskih lestvicah to res ni res. V novem prispevku, objavljenem 11. decembra v reviji Nature, so fiziki pokazali, da lahko majhne vibracije toplote prestopijo na stotine nanometrov praznega prostora. Njihov poskus je izkoristil nenavadno značilnost kvantnega vakuuma: sploh ni prazen.
"Pokazali smo, da se dva predmeta lahko med seboj" pogovarjata "skozi prazen prostor, na primer sto nanometrov," je dejal Hao-Kun Li, souredni avtor študije. Li je fizik na univerzi Stanford, ki je delal na tej raziskavi, medtem ko je bil doktorski študent na kalifornijski univerzi v Berkeleyju.
Stotine nanometrov je človeško neskončno majhen prostor - nekaj tisočin milimetra ali malo večji od tipičnega virusa. Toda to je še vedno prevelika vrzel za prehajanje toplote, vsaj glede na preproste modele prenosa toplote.
Leta 2011 so raziskovalci začeli ugibati, da bi lahko kvantni vakuum sam prenašal molekularne vibracije toplote. V prispevku, objavljenem v reviji Applied Physics Letters, je bilo poudarjeno, da v kvantni fiziki vakuum razumemo kot mesto, ki se valja z energijo. Naključna nihanja snovi in energije se pojavijo in nato izginejo, običajno na tehtnicah, veliko manjših, kot si jih ljudje lahko predstavljajo.
Ta nihanja so kaotična in nepredvidljiva. Lahko pa delujejo kot odskočni kamni, ki prenašajo val toplote - v obliki kvantnega vzbujanja, znanega kot fonon - čez vrzel. Če bi se oglasili, da bi prečkali široko vrzel, recimo nekaj centimetrov, bi bili izgledi pravih nihanj, ki se dogajajo v pravem vrstnem redu, da bi vas prebrodili, tako majhni, da bi bilo to početje nesmiselno.
A skrčite lestvico, so pokazali raziskovalci, in kvote se izboljšujejo. Pri približno 5 nanometrih bi ta čudni kvantni konjiček postal prevladujoč način za prenos toplote skozi prazen prostor - pri čemer je prehitel celo elektromagnetno sevanje, za katerega se je prej mislilo, da je edini način, da energija prestopi vakuum.
Kljub temu so raziskovalci predvideli, da bo učinek pomemben le do lestvice približno 10 nanometrov. Toda težko je videti karkoli na 10-nanometrski lestvici.
"Ko smo zasnovali eksperiment, smo ugotovili, da tega enostavno ni mogoče storiti," je Li povedal za Live Science.
Tudi če se učinek zgodi, je prostorska lestvica tako majhna, da ni dobrega načina za njeno dokončno merjenje. Za izvedbo prvega neposrednega opazovanja toplote, ki prehaja vakuum, so fiziki v Berkleyju UC ugotovili, kako povečati eksperiment.
"Zasnovali smo eksperiment, ki uporablja zelo mehke mehanske membrane," kar pomeni, da so zelo elastične ali raztegljive, je dejal Li.
Če zataknete togo jekleno kitarsko vrvico, je razložil, bodo posledično vibracije veliko manjše od tistih, ki bi jih videli, če bi z enako močjo zaskočili bolj elastično najlonsko kitarsko vrvico. V eksperimentu se je zgodilo isto na nanobarvni skali: Te ultra elastične membrane so omogočile raziskovalcem drobne vibracije toplote, ki sicer ne bi bile vidne. S previdnim odbijanjem svetlobe od teh membran so raziskovalci lahko opazovali fonene toplote, ki prečkajo še minuto luknjo.
Li je dejal, da bi se lahko to delo izkazalo za koristno - tako za ljudi, ki gradijo običajne računalnike, kot za načrtovalce kvantnih računalnikov.
Ključni problem pri gradnji boljših in hitrejših mikročipov je ugotovitev, kako razpršiti toploto iz tokokrogov, strnjenih v majhen prostor, je dejal Li.
"Naša ugotovitev pravzaprav pomeni, da lahko ustvarite vakuum za odvajanje toplote iz računalniških čipov ali nanoskalnih naprav," je dejal.
Če bi vakuum prilagodili tako, da bi ga pravilno oblikovali s pravimi materiali, bi lahko - v prihodnosti - postal bolj učinkovit pri odvajanju toplote iz čipa kot kateri koli obstoječi medij, je dejal.
Tehnike, ki so jo uporabili raziskovalci, bi lahko uporabili tudi za prepletanje fonov - vibracij samih - na različne membrane. To bi na kvantni ravni fonene povezalo na enak način, kot kvantni fiziki že povezujejo fotone ali svetlobne delce, ki so ločeni v vesolju. Ko so povezani, so fononi lahko uporabljeni za shranjevanje in prenos kvantnih informacij, da bi delovali kot "mehanski qubits" hipotetičnega kvantnega računalnika. Ko se ohladijo, je dejal, da bi morali biti fononi pri dolgoročnem shranjevanju podatkov še učinkovitejši od tradicionalnih kitov.
