Kada dodirnete vruću površinu, osjećate pokret. Pritisnete li ruku uz šalicu čaja, toplina se širi kroz prste. To je osjet milijardi milijardi atoma koji zbijaju zajedno. Sitne vibracije prenose toplinsku energiju iz vode u kriglu, a zatim u vašu kožu, dok jedna molekula kuca u sljedeću, šaljući je u treću - i tako dalje.
Toplina također može preći prostor kao valovi zračenja, ali bez zračenja potrebne su mu stvari da prođu kroz - molekule da bi se mogle pretvarati u druge molekule. Vakuumi nemaju u sebi "stvari", pa imaju tendenciju da hvataju toplinu. Na primjer, u Zemljinoj orbiti, jedan od najvećih inženjerskih izazova je pronalazak hladnjaka raketnog broda.
Ali sada, istraživači su pokazali da, na mikroskopskim mjerilima, to zaista nije istina. U novom radu objavljenom 11. prosinca u časopisu Nature, fizičari su pokazali da male vibracije topline mogu preći stotine nanometara praznoga prostora. Njihov eksperiment iskoristio je neobičnu karakteristiku kvantnog vakuuma: Uopće nije prazan.
"Pokazali smo da dva predmeta mogu međusobno 'razgovarati' kroz prazan prostor, na primjer, stotine nanometara", rekao je Hao-Kun Li, glavni autor studije. Li je fizičar sa Sveučilišta Stanford koji je radio na ovom istraživanju dok je bio doktorski student na kalifornijskom Sveučilištu u Berkeleyu.
Stotine nanometara u ljudskom je pogledu beskonačno mali prostor - nekoliko tisućica milimetra, ili malo veći od tipičnog virusa. Ali to je još uvijek preveliki jaz za prijelaz topline, barem prema jednostavnim modelima prijenosa topline.
2011. godine, istraživači su počeli nagađati kako bi kvantni vakuum mogao biti u stanju podnijeti molekularne vibracije topline. Rad objavljen u časopisu Applied Physics Letters istaknuo je da se u kvantnoj fizici pod vakuumom podrazumijeva mjesto koje se kreće s energijom. Slučajne fluktuacije materije i energije nastaju, a zatim nestaju, uglavnom na ljestvici daleko manjoj nego što ljudi mogu zamisliti.
Te fluktuacije su kaotične i nepredvidive. Ali mogli bi se ponašati poput kamena koji nose valove topline - u obliku kvantne pobude poznate kao fonon - preko praznine. Ako biste fononorom namjeravali preći široki jaz od, recimo, nekoliko centimetara, izgledi za ispravno kretanje koji se događaju ispravnim redoslijedom da vas prebrode bili bi toliko mali da bi taj pokušaj bio besmislen.
Ali smanjite ljestvicu, pokazali su istraživači, a izgledi se poboljšavaju. S oko 5 nanometara, ovaj bi čudni kvantni hopscotch postao dominantan način prijenosa topline kroz prazan prostor - nadmašujući čak i elektromagnetsko zračenje, za koji se prethodno mislilo da je jedini način da energija prijeđe vakuum.
Ipak, ti su istraživači predvidjeli da će učinak biti značajan samo do ljestvice od oko 10 nanometara. Ali teško je vidjeti bilo što na skali od 10 nanometara.
"Kad smo osmislili eksperiment, shvatili smo da se to jednostavno ne može učiniti", rekao je Li za Live Science.
Čak i ako se efekt dogodi, prostorna ljestvica je toliko mala da ne postoji dobar način da se to izričito mjeri. Da bi proizveli prvo izravno promatranje topline koja prelazi vakuum, fizičari UC Berkeleyja su smislili kako povećati eksperiment.
"Dizajnirali smo eksperiment koji koristi vrlo mekane mehaničke membrane", što znači da su vrlo elastične ili rastezljive, rekao je Li.
Ako stegnete čvrstu čeličnu gitarsku žicu, objasnio je, rezultirajuće vibracije bit će mnogo manje od onih koje biste vidjeli da stežete elastičniju najlonsku gitarsku žicu s istom snagom. Ista stvar dogodila se i na nanocjelini u eksperimentu: Te ultra-elastične membrane omogućile su istraživačima malene vibracije topline koje inače ne bi bile vidljive. Pažljivim odbijanjem svjetla s tih membrana, istraživači su uspjeli promatrati folone topline koji prolaze kroz još uvijek neznatan jaz.
Li, rekao je Li, ovo bi se rad moglo pokazati korisnim - kako ljudima koji grade redovna računala, tako i projektantima kvantnih računala.
Ključni problem u izgradnji boljih i bržih mikročipova je pronalazak kako raspodijeliti toplinu iz krugova skupljenih u sićušne prostore, rekao je Li.
"Naše otkriće zapravo podrazumijeva da biste mogli proizvesti vakuum kako bi raspodijelio toplinu iz računalnih čipova ili uređaja s nanosima", rekao je.
Ako biste podesili vakuum pravilnim oblikovanjem s pravim materijalima, on bi mogao - daleko u budućnosti - postati učinkovitiji u povlačenju topline iz čipa nego bilo koji postojeći medij, rekao je.
Tehnike koje su istraživači koristili također se mogu koristiti za povezivanje fonona - samih vibracija - na različitim membranama. To bi povezalo fonove na kvantnoj razini na isti način kako kvantni fizičari već povezuju fotone, odnosno svjetlosne čestice, koje su razdvojene u prostoru. Jednom povezani, fononi bi se mogli koristiti za pohranjivanje i prijenos kvantnih informacija, kako bi funkcionirali kao "mehanički kubiti" hipotetičkog kvantnog računala. Nakon što se ohlade, rekao je, fononi bi trebali biti još učinkovitiji u dugoročnom pohrani podataka od tradicionalnih kbita.
