Si usa un termo aislado al vacío para ayudar a mantener caliente su café, puede saber que es un buen aislante porque la energía térmica tiene dificultades para moverse a través del espacio vacío. Las vibraciones de átomos o moléculas, que transportan energía térmica, simplemente pueden 't viajar si no hay átomos o moléculas alrededor.
Pero un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, muestra cómo la rareza de la mecánica cuántica puede poner de manifiesto incluso este principio básico de la física clásica.
El estudio, que aparece esta semana en la revista Naturaleza , muestra que la energía térmica puede saltar a través de unos pocos cientos de nanómetros de vacío completo, gracias a un fenómeno mecánico cuántico llamado interacción Casimir.
Aunque esta interacción solo es significativa en escalas de muy corta duración, podría tener profundas implicaciones para el diseño de chips de computadora y otros componentes electrónicos a nanoescala donde la disipación de calor es clave. También revierte lo que muchos de nosotros aprendimos sobre la transferencia de calor en la escuela secundariafísica.
"El calor generalmente se lleva a cabo en un sólido a través de las vibraciones de átomos o moléculas, o los llamados fonones, pero en el vacío, no hay medio físico. Entonces, durante muchos años, los libros de texto nos dijeron que los fonones no pueden viajar a través de ellosun vacío ", dijo Xiang Zhang, profesor de ingeniería mecánica en UC Berkeley que guió el estudio." Lo que descubrimos, sorprendentemente, es que los fonones pueden transferirse a través de un vacío mediante fluctuaciones cuánticas invisibles ".
En el experimento, el equipo de Zhang colocó dos membranas de nitruro de silicio recubiertas de oro a unos cientos de nanómetros de distancia dentro de una cámara de vacío. Cuando calentaron una de las membranas, la otra también se calentó, aunque no había nada que conectara eldos membranas y energía de luz insignificante que pasa entre ellas.
"Este descubrimiento de un nuevo mecanismo de transferencia de calor abre oportunidades sin precedentes para la gestión térmica a nanoescala, lo cual es importante para el cómputo de alta velocidad y el almacenamiento de datos", dijo Hao-Kun Li, un ex estudiante de doctorado enEl grupo de Zhang y coautor principal del estudio: "Ahora, podemos diseñar el vacío cuántico para extraer calor en los circuitos integrados".
No existe el espacio vacío
La hazaña aparentemente imposible de mover vibraciones moleculares a través del vacío se puede lograr porque, según la mecánica cuántica, no existe el espacio verdaderamente vacío, dijo King Yan Fong, un ex erudito postdoctoral en UC Berkeley y el otro primero del estudioautor.
"Incluso si tienes espacio vacío, no importa, no hay luz, la mecánica cuántica dice que no puede estar realmente vacío. Todavía hay algunas fluctuaciones de campo cuántico en el vacío", dijo Fong. "Estas fluctuaciones dan lugar a una fuerzaque conecta dos objetos, lo que se llama interacción Casimir. Entonces, cuando un objeto se calienta y comienza a temblar y oscilar, ese movimiento puede transmitirse al otro objeto a través del vacío debido a estas fluctuaciones cuánticas ".
Aunque los teóricos han especulado durante mucho tiempo que la interacción de Casimir podría ayudar a las vibraciones moleculares a viajar a través del espacio vacío, probar que experimentalmente ha sido un gran desafío. Para hacerlo, el equipo diseñó membranas de nitruro de silicio extremadamente delgadas, que fabricaron en un lugar libre de polvosala limpia, y luego ideó una forma de controlar y controlar con precisión su temperatura.
Descubrieron que, al seleccionar cuidadosamente el tamaño y el diseño de las membranas, podían transferir la energía térmica en unos pocos cientos de nanómetros de vacío. Esta distancia era lo suficientemente grande como para que otros posibles modos de transferencia de calor fueran insignificantes, como la energíatransportado por radiación electromagnética, que es cómo la energía del sol calienta la Tierra.
Debido a que las vibraciones moleculares también son la base de los sonidos que escuchamos, este descubrimiento sugiere que los sonidos también pueden viajar a través del vacío, dijo Zhang.
"Hace veinticinco años, durante mi examen de calificación de doctorado en Berkeley, un profesor me preguntó '¿Por qué puedes escuchar mi voz en esta mesa?'. Respondí eso, 'Es porque tu sonido viaja por moléculas vibrantesen el aire ". Además preguntó: '¿Qué pasaría si succionamos todas las moléculas de aire de esta habitación? ¿Todavía puedes oírme?' Le dije: 'No, porque no hay medio para vibrar'", dijo Zhang. "Hoy, lo que descubrimos es un sorprendente nuevo modo de conducción de calor a través de un vacío sin un medio, que se logra mediante las interesantes fluctuaciones cuánticas de vacío. Entonces, me equivoqué en mi examen de 1994. Ahora, puedes gritar a través de un vacío ".
Los coautores del artículo incluyen a Rongkuo Zhao, Sui Yang y Yuan Wang de UC Berkeley.
Esta investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation NSF bajo la subvención 1725335, la Oficina de Investigación Patrocinada OSR de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah premio OSR-2016-CRG5-2950-03; OSR-2016-CRG5-2996 y la Cátedra Ernest S. Kuh de Ingeniería.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Kara Manke. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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