在一项令人惊讶的新研究中，加州大学伯克利分校的研究人员表明，由于看不见的量子涨落，热能可以在完全真空中传播。为了进行这项极具挑战性的实验，研究小组设计了极薄的氮化硅薄膜，他们在一个无尘洁净室中制作了这种薄膜，然后使用光学和电子元件来精确地控制和监控被锁在真空室中的薄膜的温度。(加州大学伯克利分校，Violet Carter拍摄)
如果你使用真空隔热保温瓶来帮你的咖啡保温，你可能知道这是一种很好的隔热材料，因为热能很难在真空中流动。如果周围没有原子或分子，携带热能的原子或分子的振动就无法传播。
但加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究人员进行的一项新研究表明，量子力学的古怪之处可以彻底颠覆经典物理学的这一基本原理。
这项研究发表在本周的《自然》(Nature)杂志上。研究表明，由于一种名为卡西米尔相互作用(Casimir interaction)的量子力学现象，热能可以跨越几百纳米的真空。
虽然这种相互作用只在很短的尺度上有意义，但它可能对计算机芯片和其他纳米级电子元件的设计有深远的影响，而散热是关键。它也颠覆了我们许多人在高中物理中学到的关于热传递的知识。
在实验中，研究小组发现，热能以分子振动的形式从热膜流向冷膜，即使在完全真空的环境中也是如此。这是可能的，因为宇宙中的一切都是由看不见的量子涨落联系在一起的。(加州大学伯克利分校图片由Zhang实验室提供)
“热通常通过原子或分子，或所谓的声子的振动在固体中传导，但在真空中，没有物理介质。因此，多年来，教科书告诉我们，声子不能在真空中传播，”加州大学伯克利分校机械工程教授张翔(音)说。“令人惊讶的是，我们发现声子确实可以通过看不见的量子波动在真空中传递
在实验中，张的团队将两个相距几百纳米的镀金氮化硅薄膜置于真空室中。当他们加热其中一层膜时，另一层膜也被加热了——尽管这两层膜之间没有任何联系，而且通过它们的光能可以忽略不计。
“这一新的传热机制的发现为纳米尺度的热管理提供了前所未有的机会，这对高速计算和数据存储非常重要，”张晓刚团队的前博士生、该研究的第一作者之一李浩昆(音)说。“现在，我们可以设计出量子真空来提取集成电路中的热量。”
没有真空这种东西
该研究的另一位第一作者、加州大学伯克利分校(UC Berkeley)前博士后学者金仁芳(King Yan Fong)说，在真空中移动分子振动这一看似不可能完成的壮举之所以能够完成，是因为根据量子力学，不存在真正的真空。
“即使你有真空——无论如何，没有光——量子力学说它不可能是真正的真空。真空中仍然存在一些量子场波动。“这些波动产生了一种连接两个物体的力，这被称为卡西米尔相互作用。所以，当一个物体升温，开始振动和振荡时，由于这些量子涨落，这种运动实际上可以通过真空传递给另一个物体。”
在实验过程中，研究小组使用高灵敏度的光学仪器来监测氮化硅薄膜的温度。(加州大学伯克利分校，Violet Carter拍摄)
尽管理论家们长期以来推测卡西米尔相互作用可能有助于分子振动在真空中传播，但从实验上证明这一点一直是一个重大挑战。为了做到这一点，研究小组设计了极薄的氮化硅薄膜，他们在一个无尘的洁净室里制作，然后设计出一种精确控制和监控温度的方法。
他们发现，通过仔细选择薄膜的尺寸和设计，他们可以在几百纳米的真空中传递热能。这个距离足够远，其他可能的传热模式可以忽略不计——比如电磁辐射所携带的能量，这是来自太阳的能量加热地球的方式。
张说，由于分子振动也是我们听到声音的基础，这一发现暗示声音也可以在真空中传播。
25年前，在我伯克利的博士资格考试期间，一位教授问我:“你为什么能听到我的声音?”’我回答说:“那是因为你的声音通过空气中振动的分子传播。他进一步问道，“如果我们把所有的空气分子都吸出这个房间呢?”你还能听到我说话吗?’我说，‘不，因为没有振动的介质，’”张说。“今天，我们发现了一个惊人的新模式，即在没有介质的真空中导热，这是通过有趣的量子真空涨落实现的。所以，我在1994年的考试中错了。现在，你可以对着真空大喊了。”
论文的共同作者包括赵荣国、隋阳和伯克利大学的王源。
该研究部分由国家科学基金会(NSF)资助，其中包括1725335基金、阿卜杜拉国王科技大学赞助研究办公室(OSR) (award OSR-2016- crg5 -2950-03; OSR-2016- crg5 -2996)和Ernest S. Kuh工程资助主席。
相关信息
- 声子通过量子涨落在真空中的热传递(自然)
- 张实验室网站
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