Když se dotknete horkého povrchu, cítíte pohyb. Pokud stisknete ruku na hrnek čaje, šíří se vám mezi prsty teplo. To je pocit miliard atomů, které spolu naráží. Drobné vibrace přenášejí tepelnou energii z vody do hrnku a poté do vaší pokožky, když jedna molekula zaklepe na další a pošle ji do třetího - a tak dále.
Teplo může také procházet vesmírem jako vlny záření, ale bez záření potřebuje věci, které musí projít - molekuly, aby praskly do jiných molekul. Vakuum nemá v sobě žádné "věci", takže mají tendenci zachytávat teplo. Například na oběžné dráze Země je jednou z největších technických výzev vymyslet, jak ochladit raketovou loď.
Nyní však vědci ukázali, že v mikroskopických měřítcích to opravdu není pravda. V novém článku zveřejněném 11. prosince v časopise Nature fyzici ukázali, že malé vibrace tepla mohou přes stovky nanometrů prázdného prostoru. Jejich experiment využíval záhadnou vlastnost kvantového vakua: Není to vůbec prázdné.
"Ukázali jsme, že dva objekty jsou schopny spolu" mluvit "napříč prázdným prostorem například stovek nanometrů," uvedl Hao-Kun Li, spoluautor této studie. Li je fyzik na Stanfordské univerzitě, který na tomto výzkumu pracoval, zatímco byl doktorandem na Kalifornské univerzitě v Berkeley.
Stovky nanometrů jsou lidským nekonečným prostorem - několik tisícin milimetru nebo o něco větší než typický virus. Ale to je stále příliš velká mezera, aby teplo prošlo, alespoň podle jednoduchých modelů přenosu tepla.
V roce 2011 začali vědci spekulovat, že samotné kvantové vakuum by mohlo být schopné přenášet molekulární vibrace tepla. Článek publikovaný v časopise Applied Physics Letters poukázal na to, že v kvantové fyzice je vakuum chápáno jako místo vroucí energií. Náhodné výkyvy hmoty a energie se objevují a poté mizí, obvykle v měřítcích mnohem menších, než si lidé dokáží představit.
Tyto výkyvy jsou chaotické a nepředvídatelné. Mohli by však jednat jako odrazové kameny, aby nesli vlnu tepla - ve formě kvantového buzení známého jako fonon - přes mezeru. Pokud jste byli telefonem, který se chystal překonat širokou mezeru, řekněme, pár centimetrů, šance na správné kolísání, ke kterému dochází ve správném pořadí, aby vás dostaly, by byly tak nízké, že by úsilí bylo zbytečné.
Ale zmenšili měřítko, ukázali vědci a šance se zlepšily. Přibližně 5 nanometrů by se tento podivný kvantový hopscotch stal dominantním způsobem přenosu tepla přes prázdný prostor - předstihl dokonce i elektromagnetické záření, o kterém se dříve uvažovalo, že je jediným způsobem, jak může energie překročit vakuum.
Přesto tito vědci předpovídali, že účinek bude významný pouze do rozsahu asi 10 nanometrů. Ale vidět něco v měřítku 10 nanometrů je obtížné.
„Když jsme navrhovali experiment, uvědomili jsme si, že to nelze snadno provést,“ řekl Li pro Live Science.
I když se efekt stane, prostorové měřítko je tak malé, že neexistuje žádný dobrý způsob, jak jej přesvědčivě měřit. Aby provedli první přímé pozorování přechodu tepla vakuem, fyzik UC Berkeley přišel na to, jak měřítko experimentu zvýšit.
"Navrhli jsme experiment, který používá velmi měkké mechanické membrány," což znamená, že jsou velmi elastické nebo pružné, řekl Li.
Pokud vytrhnete strunnou smyčku z ocelové kytary, vysvětlil, výsledné vibrace budou mnohem menší než ty, které byste viděli, kdyby jste vytrhli pružnější nylonovou kytarovou strunu se stejnou silou. Totéž se stalo na nanoměřítku v experimentu: Tyto ultraelastické membrány umožnily vědcům vidět malé tepelné vibrace, které by jinak nebyly vidět. Pečlivým odrazem světla z těchto membrán dokázali vědci pozorovat fonony tepla přecházející stále ještě nepatrnou mezerou.
Li řekl, že by tato práce mohla být užitečná - jak pro lidi, kteří staví běžné počítače, tak pro designéry kvantových počítačů.
Klíčovým problémem při budování lepších a rychlejších mikročipů je vymýšlení, jak rozptýlit teplo z obvodů seskupených do malých prostorů, řekl Li.
"Naše zjištění ve skutečnosti znamená, že byste mohli navrhnout vakuum, aby rozptýlilo teplo z počítačových čipů nebo nanočástic," řekl.
Pokud byste měli vyladit vakuum správným tvarováním správných materiálů, mohlo by to - v budoucnu - být efektivnější při odtahování tepla z čipu než kterékoli stávající médium, řekl.
Techniky, které vědci použili, by také mohli být použity k zamotání fononů - samotných vibrací - přes různé membrány. To by spojilo fonony na kvantové úrovni stejným způsobem, jak kvantoví fyzici již spojují fotony nebo světelné částice, které jsou odděleny v prostoru. Jakmile jsou spojeny, fonony by mohly být použity k ukládání a přenosu kvantové informace, aby fungovaly jako „mechanické qubity“ hypotetického kvantového počítače. A jakmile se ochladí, řekl, že fonony by měly být při dlouhodobém ukládání dat ještě účinnější než tradiční qubity.
