Eksperimentalno potrjen nov način prenosa toplote

Raziskovalci z Univerze Berkeley so empirično potrdili, da lahko kvantne fluktuacije v vakuumu na zelo majhnih razdaljah prenašajo toploto, kar odpira nove možnosti nadzora toplotnih tokov v elektroniki.

V šoli učencem pri fiziki povedo, da se toplota prenaša na tri načine: s prevajanjem med dvema staknjenima objektoma; s konvekcijo ali pretokom tekočin in pa nazadnje s sevanjem, denimo sončne svetlobe. Radiacija je hkrati edina med temi tremi načini, ki zmore toploto prenašati po vakuumu. Toda očitno bo potrebno šolske knjige posodobiti, kajti fiziki s kalifornijske Univerze Berkeley so naposled eksperimentalno pokazali, kar se je v teoriji napovedovalo že več let: da zmorejo kvantne fluktuacije prav tako prenašati toploto skozi vakuum med dvema ločenima telesoma, le da pri zelo majhnih razdaljah. Tako odslej velja, da so načini prenosa toplote štirje.

Kvantne fluktuacije so pojav, ko zaradi Heisenbergovega načela nedoločenosti v vakuumu nenehno spontano prihaja do kratkotrajnih sprememb v količini energije v neki točki prostora. Zato vakuum pravzaprav ni čista praznina, temveč golaž stalnih kvantnih sprememb - dokler seveda opazujemo dovolj od blizu, da so takšni učinki dejansko merljivi. Ena od neposrednih posledic kvantnih fluktuacij je Casimirjev pojav, pri katerem med dvema zelo približanima objektoma, na razdalji nekaj nanometrov, pride do privlaka ali odboja. Po tem, ko so ga na prelomu tisočletja dobro empirično potrdili, so se začeli spraševati, pri čem vsem ima vpliv. Ena od možnosti je tudi prenos fononov - kvazidelcev za kvantizacijo nihanja v kristalni strukturi (po domače, zvoka), s tem pa prevajanje toplote. Toda doslej nismo znali napraviti eksperimentalne naprave, ki bi zmogla kaj takega preveriti, saj je izjemno zahtevno izdelati razsežni telesi, ki sta enakomerno oddaljeni zgolj nekaj nanometrov.

Raziskovalna skupina z Berkeleyja je zato ubrala nekaj prefinjenih bližnjic (članek z omejenim dostopom). Znanstveniki so uporabili sto nanometrov debeli membrani iz silicijevega nitrida in premazani z zlatom. Najpomembneje je bilo, da je njuno termalno vibriranje potekalo v okolici njunih lastnih frekvenc in torej resonance, kar jim je omogočilo ojačitev pojava in s tem možnost, da ga zaznajo že na večjih razdaljah od okrog desetih nanometrov, kar je doslej zahtevala teorija. Tako so že na 600 nanometrih razdalje opazili domneven prenos toplote, pri 400 nanometrih pa sta se membrani praktično že izenačili v temperaturi. Slednjo so sicer merili s pomočjo laserske interferometrije - se pravi, na membrani so posvetili z laserjem in merili Brownovo gibanje na njunih površinah.

Pojav je sicer zelo šibak: namerili so zgolj 6,5×10^-21 joula na sekundo, kar pomeni okrog petdesetino energije povprečnega fotona vidne svetlobe. Kljub temu bi znal pojav priti zelo prav pri snovanju modernih elektronskih naprav, kot so kvantni računalniki, najnovejši klasični procesorji in magnetni diski, kjer so elementi ravno na oddaljenostih, kjer pride opisani efekt do izraza.