En un nuevo estudio, Universidad de California, Berkeley, Los investigadores muestran que la energía térmica puede viajar a través de un vacío completo gracias a fluctuaciones cuánticas invisibles. En el experimento, El equipo 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, el otro calentado, también, a pesar de que no había nada que conectara las dos membranas y una energía lumínica insignificante pasaba entre ellas. Crédito:Zhang Lab, UC Berkeley
Si usa un termo aislado al vacío para ayudar a mantener el café caliente, es posible que sepa que es un buen aislante porque la energía térmica tiene dificultades para moverse a través del espacio vacío. Vibraciones de átomos o moléculas, que llevan energía térmica, simplemente no puede 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 cambiar incluso este principio básico de la física clásica.
El estudio, apareciendo esta semana en la revista Naturaleza , muestra que la energía térmica puede saltar a través de unos cientos de nanómetros de un vacío completo, gracias a un fenómeno de la mecánica cuántica llamado interacción de Casimir.
Aunque esta interacción solo es significativa en escalas de longitud muy cortas, 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 cambia lo que muchos de nosotros aprendimos sobre la transferencia de calor en la física de la escuela secundaria.
"El calor generalmente se conduce en un sólido a través de las vibraciones de átomos o moléculas, o los llamados fonones, pero en el vacío, no hay un medio físico. Entonces, durante muchos años, los libros de texto nos decían que los fonones no pueden viajar a través del vacío, "dijo Xiang Zhang, el profesor de ingeniería mecánica en UC Berkeley que dirigió el estudio. "Lo que descubrimos, asombrosamente, es que los fonones se pueden transferir a través del vacío mediante fluctuaciones cuánticas invisibles ".
En un nuevo estudio, Universidad de California, Berkeley, Los investigadores muestran que la energía térmica puede viajar a través de un vacío completo gracias a fluctuaciones cuánticas invisibles. Para realizar el desafiante experimento, el equipo diseñó membranas de nitruro de silicio extremadamente delgadas, que fabricaron en una sala limpia sin polvo, y luego usó componentes ópticos y electrónicos para controlar y monitorear con precisión la temperatura de las membranas cuando estaban encerradas dentro de una cámara de vacío. Crédito:Violet Carter, UC Berkeley
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, el otro calentado, también, aunque no había nada que conectara las dos membranas y una energía luminosa insignificante pasaba entre ellas.
"Este descubrimiento de un nuevo mecanismo de transferencia de calor abre oportunidades sin precedentes para la gestión térmica a nanoescala, que es importante para la computación y el almacenamiento de datos de alta velocidad, "dijo Hao-Kun Li, un ex Ph.D. estudiante del grupo de Zhang y coautor del estudio. "Ahora, podemos diseñar el vacío cuántico para extraer calor en 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 el rey Yan Fong, un becario postdoctoral en UC Berkeley y el otro primer autor del estudio.
"Incluso si tienes un espacio vacío, no importa, sin 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 fuerza que conecta dos objetos, que se llama la interacción de Casimir. Entonces, cuando un objeto se calienta y comienza a temblar y oscilar, ese movimiento en realidad puede transmitirse al otro objeto a través del vacío debido a estas fluctuaciones cuánticas ".
En un nuevo estudio sorprendente, Universidad de California, Berkeley, Los investigadores muestran que la energía térmica puede viajar a través de un vacío completo gracias a fluctuaciones cuánticas invisibles. Crédito:Violet Carter, UC Berkeley
Aunque los teóricos han especulado durante mucho tiempo que la interacción de Casimir podría ayudar a que las vibraciones moleculares viajen a través del espacio vacío, demostrarlo experimentalmente ha sido un gran desafío. Para hacerlo el equipo diseñó membranas de nitruro de silicio extremadamente delgadas, que fabricaron en una sala limpia sin polvo, y luego ideó una forma de controlar y monitorear con precisión su temperatura.
Ellos encontraron que seleccionando cuidadosamente el tamaño y el diseño de las membranas, podrían transferir la energía térmica a 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 energía transportada por la 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 doctorado examen de calificación en Berkeley, un profesor me preguntó '¿Por qué puedes escuchar mi voz al otro lado de esta mesa?' Yo respondí eso, "Es porque su sonido viaja al vibrar moléculas en el aire". Además preguntó, '¿Y si succionamos todas las moléculas de aire de esta habitación? ¿Todavía puedes oírme? Yo dije, 'No, porque no hay medio para vibrar, ", Dijo Zhang." Hoy, lo que descubrimos es un nuevo y sorprendente modo de conducción de calor a través de un vacío sin medio, que se logra mediante las intrigantes fluctuaciones cuánticas del vacío. Entonces, Me equivoqué en mi examen de 1994. Ahora, puedes gritar a través de un vacío ".
