Amikor megérinti a forró felületet, mozgást érez. Ha egy teás bögrehez nyomja a kezét, a meleg elterjed az ujjain. Ez az az érzés, hogy milliárd atom összecsap. Az apró vibrációk hőenergiát hordoznak a vízből a bögrébe, majd a bőrbe, amikor az egyik molekula kopog a másikba, ápolva egy harmadikba - és így tovább a sorban.
A hő sugárzási hullámként is átjuthat az űrben, de sugárzás nélkül áthaladásra van szüksége - molekulák, hogy más molekulákba csapódjanak. A porszívókban nincs "cucc", ezért hajlamosak csapdába ejteni a hőt. Például a Föld pályáján az egyik legnagyobb mérnöki kihívás a rakétahajó hűtésének kitalálása.
Most azonban a kutatók kimutatták, hogy mikroszkopikus mérlegekben ez nem igaz. Egy új, a december 11-én a Nature folyóiratban megjelent cikkben a fizikusok kimutatták, hogy a kis hőhullámok áthatolhatnak több nanométernyi üres helyet. Kísérletük a kvantum-vákuum rejtélytelen tulajdonságát kihasználta: Valójában egyáltalán nem üres.
"Megmutattuk, hogy két objektum képes" beszélgetni "egymással, például egy nanométer több száz üres helyén" - mondta Hao-Kun Li, a tanulmány társvezetője. Li a Stanfordi Egyetem fizikusa, aki ezen a kutatáson dolgozott, miközben doktori hallgató volt a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemen.
A nanométerek százai emberi szempontból végtelen méretű tér - néhány milliméter ezred milliméterrel, vagy egy kicsit nagyobb, mint egy tipikus vírus. De ez még mindig túl nagy a hézag ahhoz, hogy áthaladjon, legalábbis a hőátadás egyszerű modelljei szerint.
2011-ben a kutatók spekulálni kezdtek, hogy maga a kvantum-vákuum képes lesz-e a hő molekuláris rezgéseinek elviselésére. Az Applied Physics Letters folyóiratban megjelent cikk rámutatott, hogy a kvantumfizikában a vákuum alatt az energiával forgó helyet értjük. Az anyag és az energia véletlenszerű ingadozása megjelenik, majd eltűnik, általában sokkal kisebb skálán, mint az emberek el tudják képzelni.
Ezek az ingadozások kaotikusak és kiszámíthatatlanok. De úgy viselkedhetnek, mint lépcsőfokok, hogy a hőhullámot - egy phonon néven ismert kvantum gerjesztés formájában - egy résen áthajtsák. Ha egy phonon ha túl széles, például néhány hüvelyk közötti távolságot keresi át, akkor a helyes ingadozások valószínűsége a megfelelő sorrendben való átjutáshoz annyira alacsony lenne, hogy a törekvés értelmetlen lenne.
De csökkentse a skálát, a kutatók megmutatták, és az esélyek javulnak. Körülbelül 5 nanométeren ez a furcsa kvantum ugrás az uralkodó módszernek a hő átvitelére az üres térben - meghaladja még az elektromágneses sugárzást is, amelyet korábban úgy gondoltak, hogy az energia az egyetlen lehetőség, hogy áthaladjon a vákuumban.
Mindazonáltal ezek a kutatók azt jósolták, hogy a hatás csak kb. 10 nanométer skálán lesz szignifikáns. De nehéz 10 nanométeres skálán látni valamit.
"A kísérlet megtervezésekor rájöttünk, hogy ezt nem könnyű megtenni" - mondta Li a Live Science-nek.
Még ha a hatás megtörténik, a térbeli méretarány olyan kicsi, hogy nincs jó módja annak, hogy véglegesen mérjük. Az UC Berkeley fizikusai a hő első vákuum átlépésének közvetlen megfigyelése céljából kitalálták, hogyan lehet a kísérletet felfelé méretezni.
"Olyan kísérletet terveztünk, amely nagyon puha mechanikus membránokat használ", ami azt jelenti, hogy nagyon rugalmasak vagy rugalmasak, mondta Li.
Megadta, hogy ha merev acél gitárhúrot szed, akkor a rezgések sokkal kisebbek lesznek, mint amit látnánk, ha ugyanolyan erősségű, rugalmasabb nylon gitárhúrot kopasztnál. Ugyanez történt a nanoskálán a kísérletben: Ezek az ultra-elasztikus membránok lehetővé tették a kutatók számára, hogy apró hővibrációkat látjanak, amelyek egyébként nem lennének láthatók. A membránok óvatos visszapattanásával a kutatók megfigyelték a hőfononokat, amelyek átmentek a még mindig apró résen.
Útközben - mondta Li - ez a munka hasznosnak bizonyulhat - mind a rendszeres számítógépeket építő embereknek, mind a kvantum-számítógépes tervezőknek.
A jobb és gyorsabb mikrochip építésének egyik fő problémája az, hogy kitaláljuk, hogyan lehet a hőt eloszlatni az apró terekbe csoportosított áramkörökről - mondta Li.
"Megállapításunk valójában azt jelenti, hogy megtervezheti a vákuumot a számítógép chipek vagy nanoméretű eszközök hőszórására" - mondta.
Ha a vákuumot úgy hangolja, hogy megfelelő módon megformálja a megfelelő anyagokkal, akkor - a jövőben - sokkal hatékonyabbá teheti a hő forgácsának leválasztását, mint bármelyik meglévő közeg számára - mondta.
A kutatók által alkalmazott technikák felhasználhatók a fononok - maguk a rezgések - összefűzésére a különböző membránokon. Ez összekapcsolná a fononokat kvantumszinten, ugyanúgy, a kvantumfizikusok már összekapcsolnák a térben elválasztott fotonokat vagy fényrészecskéket. Összekapcsolódásuk után a fononok felhasználhatók kvantuminformációk tárolására és átvitelére, hogy egy hipotetikus kvantumszámítógép "mechanikus kviteként" működjenek. A lehűlés után a fononoknak még hatékonyabbaknak kell lenniük a hosszú távú adattárolásban, mint a hagyományos kviteknek.
