Lämmönsiirtoa tyhjyyden läpi

Tutkimus on osoittanut, että lämpöenergia, molekyylin värähtelyjen muodossa, voi virrata kuumasta kalvosta kylmään kalvoon jopa täydellisessä tyhjiössä. Tämä on mahdollista, koska kaikki maailmankaikkeudessa liittyy näkymättömiin kvanttivaihteluihin

Tyhjiötä pidetään hyvänä eristeenä, koska lämpöenergialla on vaikea liikkua sen tilan läpi. Lämpöenergiaa sisältävien atomien tai molekyylien värähtely ei yksinkertaisesti pääse liikkumaan, jos niiden ympärillä ei ole atomeja tai molekyylejä.

Mutta Kalifornian yliopiston Berkeleyn tutkijoiden uusi tutkimus osoittaa, kuinka kvanttimekaniikan omituisuus voi kääntää tämänkin klassisen fysiikan perusajatuksen päälaelleen.

Tutkimus osoittaa, että lämmönjohtuminen voi tapahtua muutaman sadan nanometrisen tyhjiön läpi kvanttimekaanisen ilmiön, nimeltään Casimirin vuorovaikutus, ansiosta.

Vaikka tällä vuorovaikutuksella on merkitystä vain hyvin lyhyillä mittakaavoilla, sillä voi olla huomattavia vaikutuksia tietokonepiirien ja muiden nanomittakaavan komponenttien suunnitteluun, joissa lämmön hajauttaminen on avainasemassa.

”Lämpö johdetaan yleensä kiinteässä aineessa atomien, molekyylien tai fononivärähtelyjen kautta - mutta tyhjössä ei ole fysikaalista väliainetta. Joten monien vuosien ajan oppikirjat kertoivat meille, että fononit eivät voi kulkea tyhjiön läpi”, kertoi tutkimusta ohjannut UC Berkeleyn konetekniikan professori Xiang Zhang. "Yllättäen havaitsimme, että fononit voivat todellakin siirtyä tyhjiön läpi näkymättömien kvanttivaihteluiden avulla."

Kokeessa Zhangin ryhmä sijoitti kaksi kultapäällysteistä piinitridikalvoa muutaman sadan nanometrin päähän toisistaan tyhjiökammioon. Kun he lämmittivät yhtä kalvoista, myös toinen lämpeni, vaikka ei ole mitään mikä niitä yhdistäisi ja niiden välillä kulkeutui vain merkityksetön määrä valon säteilyenergiaa.

"Tämä uuden lämmönsiirtomekanismin löytäminen avaa ennennäkemättömät mahdollisuudet lämmönhallintaan nanomittakaavassa, mikä on tärkeätä nopeaan laskentaan ja tiedon tallentamiseen", sanoi tohtoritutkija Hao-Kun Li. "Nyt voimme suunnitella kvanttityhjiön lämmön keräämiseksi integroiduissa piireissä."

Vaikka teoreetikot ovat jo kauan pohtineet, josko Casimir-vuorovaikutus voisi auttaa molekyylin värähtelyjä kulkemaan tyhjän tilan läpi, sen osoittaminen kokeellisesti on ollut suuri haaste, jossa nyt sitten onnistuttiin.

Löytö fononien kulkuun kvanttiheilahtelujen kautta edustaa aikaisemmin tuntematonta lämmönsiirtomekanismia tavanomaisen johtavuuden, konvektion ja säteilyn lisäksi.

Koska molekyylin värähtelyt ovat myös perustana kuulemillemme äänille, tämä löytö vihjaa, että myös äänet voivat kulkea tyhjiön kautta, Zhang toteaa yliopistonsa tieotteessa.

Aiheesta aiemmin: Lämpö ja valo nanomitoissa