看不见的量子怪异使热能能够通过完全真空传播

加州大学伯克利分校的一项令人惊讶的新研究表明，由于无形的量子涨落，热能可以在完全真空中传播。为了进行具有挑战性的实验，该团队设计了极薄的氮化硅膜，它们是在无尘无尘室中制造的，然后使用光学和电子组件来精确控制和监控膜片在真空中锁定时的温度。室。

如果您使用真空绝缘的热水瓶来帮助保持咖啡的热度，您可能会知道它是很好的绝缘体，因为热能很难在空的空间中移动。如果周围没有原子或分子，则带有热能的原子或分子的振动就无法传播。

但是，加州大学伯克利分校的研究人员进行的一项新研究表明，量子力学的怪异性如何甚至可以颠覆古典物理学的这一基本原则。

该研究于2019年12月11日发表在《自然》（Nature）杂志上，表明由于一种称为卡西米尔相互作用的量子力学现象，热能可以跨越几百纳米的真空。

尽管这种相互作用仅在非常短的长度范围内才有意义，但对于散热至关重要的计算机芯片和其他纳米级电子组件的设计可能会产生深远的影响。这也颠覆了我们许多人中学到的关于传热的知识。

在实验中，研究小组表明，即使在完全真空的情况下，分子振动形式的热能也可以从热膜流到冷膜。这是可能的，因为宇宙中的所有事物都是通过看不见的量子涨落相连的。

“热量通常是通过原子或分子或所谓的声子的振动在固体中传导的，但是在真空中，没有物理介质。因此，多年来，教科书告诉我们声子不能在真空中传播。”指导该研究的加州大学伯克利分校机械工程学教授张翔说。“令人惊讶的是，我们发现，声子确实可以通过看不见的量子涨落在真空中转移。”

在实验中，张的团队在真空室内放置了两个相距几百纳米的镀金氮化硅膜。当它们加热其中一个膜时，另一个也被加热了，即使两个膜之间没有任何连接，并且在它们之间通过的光能也可以忽略不计。

“以前发现的一种新的传热机理为纳米级的热管理打开了前所未有的机会，这对于高速计算和数据存储非常重要，”前博士学位的李浩坤说。是该小组的学生，也是该研究的第一作者。“现在，我们可以设计量子真空以提取集成电路中的热量。”

没有空的空间

加州大学伯克利分校前博士后学者，研究的另一位第一作者金燕芳说，通过分子力学在真空中移动分子振动似乎是不可能的，这是可以实现的，因为根据量子力学，不存在真正的空空间。

“即使您有空的空间-无论如何，也没有光-量子力学说它不可能真正地是空的。在真空中仍然存在一些量子场的波动，”方说。这些波动会产生一种将两个物体连接起来的力，称为卡西米尔相互作用。因此，当一个物体加热并开始振动和振荡时，由于这些量子涨落，该运动实际上可以通过真空传递给另一物体。

该团队在实验过程中使用了高度灵敏的光学器件来监控氮化硅膜的温度。

尽管长期以来，理论家一直认为卡西米尔相互作用可以帮助分子振动在空旷的空间中传播，但通过实验证明它是一个重大挑战。为此，该团队设计了极薄的氮化硅膜，它们是在无尘无尘室中制造的，然后设计了一种精确控制和监测其温度的方法。

他们发现，通过仔细选择膜的尺寸和设计，他们可以将热能传递到几百纳米的真空中。这个距离足够远，以至于其他可能的热传递方式都可以忽略不计，例如电磁辐射所携带的能量，这就是来自太阳的能量如何加热地球。

张说，由于分子振动也是我们听到的声音的基础，因此这一发现暗示了声音也可以在真空中传播。

“ 25年前，在我攻读博士学位期间，在伯克利的资格考试中，一位教授问我：“你为什么能在这张桌子上听到我的声音？”我回答说，“这是因为您的声音是通过振动空气中的分子传播的。”他进一步问，‘如果我们将所有空气分子从房间里吸出来怎么办？你还能听到我说话吗？’我说：“不，因为没有振动的介质，”张说。“今天，我们发现了一种令人惊奇的，无介质的真空中热传导的新模式，这是通过引人入胜的量子真空波动来实现的。因此，在1994年的考试中，我错了。现在，您可以在真空中大喊大叫了。”

参考：王艳芳，李浩K，赵荣国，杨穗，王元和张向，“通过量子涨落在真空中进行的声子传热”，自然，2019年12月11日，DOI：
10.1038 / s41586-019-1800-4

该论文的合著者包括加州大学伯克利分校的赵荣国，杨穗和王元。

这项研究部分由国家科学基金会（NSF）资助1725335，阿卜杜拉国王科技大学赞助研究办公室（OSR）（授予OSR-2016-CRG5-2950-03; OSR-2016-CRG5 -2996）和Ernest S. Kuh授予的工程学系主任。