Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kouzla kvantové fyziky na bázi Casimirova jevu umožňují, že teplo se vakuem může šířit i vedením, jako fonony. Mohl by tento jev najít využití i při chlazení elektroniky?
Nejprve základní vysvětlení. Tělesa s nenulovou teplotou vyzařují fotony a vychládají, v tomto smyslu ani vakuum nepředstavuje dokonalou izolaci. O to ale v příslušném výzkumu nejde. Vyzařování prostřednictvím fotonů zde bylo zanedbatelné, dílem bylo dokázat, že přes vakuum se skutečně může přenášet vibrační energie atomů a molekul – alespoň na vzdálenosti ve stovkách nanometrů. Vědci z University of California v Berkeley ve studii publikované v Nature označují tento jev jako Casimirovu interakci. (Casimirův jev popisuje přitahování desek rovnoběžně položených vedle sebe ve vakuu – i jinak než gravitací; jde zde o to, že mezi desky se vejde méně vln vznikajících fluktuacemi vakua. Viz také: Casimirův jev – proč se desky ve vakuu k sobě přitahují)
Vibrační energie přenášená ve formě tepla se popisuje jako pohyb kvazičástic – fononů. Xiang Zhang s kolegy nyní ukázali, jak kvantové jevy umožňují přenos fononů i vakuem, bez fyzického média. Za tímto účelem vytvořili extrémně tenké membrány z pozlaceného nitridu křemíku a ty pak umístili vedle sebe ve vakuové komoře. Pomocí optických i elektronických součástek pak bylo možné teplotu obou membrán jak přesně řídit, tak i měřit.
Casimirova interakce obnáší vznik virtuálních částic, respektive polí, právě fluktuacemi vakua („nulové kmity“ apod.), a právě tyto částice pak i přes svou omezenou životnost (jde o „vypůjčenou“ energii) stačí k přenosu fononů na nanometrové vzdálenosti. Po teoretické stránce se něco takového předpokládalo, vlastní provedení experimentu ale představovalo technický oříšek, velikost i samotnou konstrukci membrán bylo třeba pečlivě ladit. Nakonec se podařilo dokázat, že za přenos energie opravdu neodpovídají fotony.
V současné elektronice se již používají nanometrová měřítka. Jak se ukazuje, integrované obvody lze za těchto podmínek chladit i tehdy, když mezi různými součástkami bude vakuum. (Poznámka PH: Ovšem technické problémy spojené s experimentem asi ukazují, že měřitelný přenos tepla neprobíhá mezi libovolnými objekty o různé teplotě.) Fonony také přenášejí zvuk, takže do jisté míry lze teď dokonce i prohlásit, že zvuk se může vakuem šířit rovněž (poznámka PH: což dávno vědí tvůrci béčkových sci-fi filmů, známé efekty s výkřiky kosmonautů vyvržených při explozi lodi do vesmíru apod.).
Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1800-4 , https://nature.com/articles/s41586-019-1800-4
Zdroj: University of California – Berkeley/Phys.org
