Når du rører ved en varm overflade, føler du bevægelse. Hvis du trykker din hånd mod et krus te, spreder varme sig gennem fingrene. Det er en fornemmelse af, at milliarder af atomer banker sammen. Små vibrationer transporterer termisk energi fra vandet til kruset og derefter ind i din hud, når det ene molekyle banker ned i det næste og sender det pleje ind i en tredje - og så videre ned ad linjen.
Varme kan også krydse rummet som bølger af stråling, men uden stråling har det brug for ting, der skal passere gennem - molekyler for at banke ind i andre molekyler. Støvsugere har ingen "ting" i sig, så de har en tendens til at fange varme. I Jordens kredsløb, for eksempel, er en af de største tekniske udfordringer at finde ud af, hvordan man afkøler et raketskib.
Men nu har forskere vist, at dette på mikroskopiske skalaer ikke er rigtigt. I en ny artikel, der blev offentliggjort 11. december i tidsskriftet Nature, viste fysikere, at ringe vibrationer af varme kan krydse hundreder af nanometer med tom plads. Deres eksperiment udnyttede et uhyggeligt træk ved kvantevakuumet: Det er overhovedet ikke tomt.
"Vi viste, at to objekter er i stand til at 'tale' med hinanden på tværs af et tomt rum på for eksempel hundreder af nanometer," sagde Hao-Kun Li, co-lead forfatter af undersøgelsen. Li er fysiker ved Stanford University, der arbejdede med denne forskning, mens han var doktorand ved University of California, Berkeley.
Hundredvis af nanometer er et uendeligt stort rum i menneskelige termer - et par tusindedele af en millimeter eller en smule større end en typisk virus. Men det er stadig alt for stort hul til at varme kan krydse, i det mindste i henhold til de enkle modeller for varmeoverførsel.
I 2011 begyndte forskere at spekulere i, at selve kvantevakuumet muligvis kunne bære de molekylære vibrationer af varme. Et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Applied Physics Letters, påpegede, at vakuumet i kvantefysik forstås som et sted, der klynges af energi. Tilfældige udsving i stof og energi bliver til og forsvinder derefter generelt på skalaer, der er langt mindre end folk kan forestille sig.
Disse udsving er kaotiske og uforudsigelige. Men de kunne fungere som springbræt for at bære en bølge af varme - i form af en kvante-excitation kendt som et fonon - over et hul. Hvis du var en fonon med det formål at krydse et stort mellemrum på, for eksempel, et par centimeter, ville oddsen for de rigtige udsving i den rigtige rækkefølge for at komme dig over være så lav, at bestræbelsen ville være meningsløs.
Men krympe skalaen, viste forskerne, og oddsene forbedres. På cirka 5 nanometer ville denne underlige kvantehoppebakke blive den dominerende måde at overføre varme over tomrummet - uden at overgå endda elektromagnetisk stråling, som tidligere blev antaget at være den eneste måde for energi at krydse et vakuum.
Disse forskere forudsagde stadig, at virkningen kun ville være betydelig op til en skala på ca. 10 nanometer. Men det er vanskeligt at se noget på en 10-nanometer skala.
”Da vi designede eksperimentet, indså vi, at det ikke let kunne gøres,” fortalte Li til Live Science.
Selv hvis effekten sker, er den rumlige skala så lille, at der ikke er nogen god måde at måle den endeligt. For at fremstille den første direkte observation af varme, der krydser et vakuum, regnede UC Berkeley-fysikerne ud, hvordan eksperimentet skulle skaleres op.
"Vi designede et eksperiment, der bruger meget bløde mekaniske membraner," hvilket betyder, at de er meget elastiske eller elastiske, sagde Li.
Hvis du plukker en stiv guitarstreng af stål, forklarede han, vil de resulterende vibrationer være meget mindre end dem, du ville se, hvis du plukkede en mere elastisk nylongitarstreng med samme styrke. Det samme skete på nanoskalaen i eksperimentet: Disse ultraelastiske membraner gjorde det muligt for forskerne at se små varmevibrationer, som ellers ikke ville have været synlige. Ved forsigtigt at sprænge lys fra disse membraner, var forskerne i stand til at observere fononer af varme, der krydser det stille minusrum.
Undervejs, sagde Li, kan dette arbejde vise sig at være nyttigt - både for folk, der bygger almindelige computere og kvantecomputerdesignere.
Et vigtigt problem i opbygningen af bedre og hurtigere mikrochips er at finde ud af, hvordan man spreder varme fra kredsløb, der er samlet i små rum, sagde Li.
"Vores fund indebærer faktisk, at du kunne konstruere vakuumet til at sprede varmen fra computerchips eller nanoskalaenheder," sagde han.
Hvis du skulle indstille vakuumet ved korrekt at forme det med de rigtige materialer, kan det - langt fremover - blive mere effektivt til at trække varme fra en chip end noget eksisterende medium, sagde han.
Teknikkerne, som forskerne anvendte, kunne også bruges til at sammenfiltrere fononerne - selve vibrationerne - på tværs af forskellige membraner. Det ville forbinde fononerne på et kvantniveau på samme måde som kvantefysikerne allerede forbinder fotoner, eller lyspartikler, der er adskilt i rummet. Når de først var forbundet, kunne fononerne bruges til at gemme og overføre kvanteinformation til at fungere som de "mekaniske qubits" fra en hypotetisk kvantecomputer. Og når den først er afkølet, sagde han, skulle fononerne være endnu mere effektive ved langtidsopbevaring af data end traditionelle qubits.
