นักฟิสิกส์ใช้เครื่องดูดฝุ่นควอนตัมเดือดปุดไฟเพื่อความร้อนในพื้นที่ว่างเปล่า

เมื่อคุณสัมผัสกับพื้นผิวที่ร้อนคุณจะรู้สึกถึงการเคลื่อนไหว หากคุณกดมือของคุณกับแก้วชาความอบอุ่นจะแพร่กระจายผ่านนิ้วมือของคุณ นั่นคือความรู้สึกของอะตอมพันล้านที่ต่อสู้กัน การสั่นสะเทือนเล็ก ๆพลังงานความร้อนจากน้ำไปจนถึงแก้วและจากนั้นเข้าสู่ผิวหนังของคุณเมื่อโมเลกุลหนึ่งกระแทกเข้าสู่อีกโมเลกุลส่งมันไปที่หนึ่งในสาม - และต่อไป

ความร้อนยังสามารถข้ามอวกาศเป็นคลื่นของรังสีแต่ไม่มีการแผ่รังสีมันต้องการสิ่งที่ต้องผ่าน - โมเลกุลเพื่อปะทะกับโมเลกุลอื่น ๆ เครื่องดูดฝุ่นไม่มี "สิ่งของ" ในตัวพวกเขาดังนั้นพวกเขาจึงมักจะดักจับความร้อน ยกตัวอย่างเช่นในวงโคจรของโลกความท้าทายทางวิศวกรรมที่ยิ่งใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งคือการหาวิธีการทำให้เรือจรวดเย็นลง

แต่ตอนนี้นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าบนเครื่องชั่งด้วยกล้องจุลทรรศน์สิ่งนี้ไม่เป็นความจริง ในบทความใหม่ที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 11 ธันวาคมในวารสารธรรมชาตินักฟิสิกส์แสดงให้เห็นว่าการสั่นสะเทือนเล็กน้อยของความร้อนสามารถข้ามพื้นที่ว่างเปล่าหลายร้อยนาโนเมตร การทดลองของพวกเขาใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่แปลกประหลาดของควอนตัมสูญญากาศ: มันไม่ได้ว่างเปล่าเลย

ที่เกี่ยวข้อง:นั่นคืออะไร? คำถามฟิสิกส์ของคุณตอบ

“ เราแสดงให้เห็นว่าวัตถุสองชิ้นสามารถ 'พูดคุย' ซึ่งกันและกันในพื้นที่ว่างของ nanometers หลายร้อยแห่ง” Hao-kun Li ผู้เขียนร่วมการศึกษาร่วมกล่าว หลี่เป็นนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดที่ทำงานวิจัยนี้ในขณะที่เขาเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์

นาโนเมตรหลายร้อยแห่งเป็นพื้นที่ที่ไม่สิ้นสุดในแง่ของมนุษย์ - ไม่กี่พันมิลลิเมตรหรือใหญ่กว่าไวรัสทั่วไปเล็กน้อย แต่นั่นก็ยังมีช่องว่างที่ใหญ่เกินไปสำหรับความร้อนที่จะข้ามอย่างน้อยตามแบบจำลองการถ่ายเทความร้อนแบบง่าย ๆ

ในปี 2554 นักวิจัยเริ่มคาดการณ์ว่าสูญญากาศควอนตัมเองอาจสามารถส่งการสั่นสะเทือนระดับโมเลกุลของความร้อน กระดาษที่ตีพิมพ์ในวารสารตัวอักษรฟิสิกส์ประยุกต์ชี้ให้เห็นว่าในฟิสิกส์ควอนตัมสูญญากาศนั้นเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นสถานที่ที่มีพลังงาน ความผันผวนแบบสุ่มของสสารและพลังงานปรากฏขึ้นและจากนั้นก็หายไปโดยทั่วไปในระดับที่เล็กกว่าที่คนอื่นสามารถจินตนาการได้

รับการค้นพบที่น่าสนใจที่สุดในโลกที่ส่งตรงไปยังกล่องจดหมายของคุณ

ความผันผวนเหล่านั้นวุ่นวายและคาดเดาไม่ได้ แต่พวกเขาสามารถทำหน้าที่เหมือนก้าวหินเพื่อพกพาคลื่นความร้อน - ในรูปแบบของการกระตุ้นควอนตัมที่รู้จักกันในชื่อกเสียงฟอนอน- ข้ามช่องว่าง หากคุณเป็น Phonon ที่ออกเดินทางเพื่อข้ามช่องว่างกว้างพูดสองสามนิ้วอัตราต่อรองของความผันผวนที่ถูกต้องที่เกิดขึ้นในลำดับที่ถูกต้องเพื่อให้คุณข้ามไปจะต่ำมากจนความพยายามจะไม่มีจุดหมาย

แต่ลดขนาดนักวิจัยแสดงให้เห็นและอัตราต่อรองก็เพิ่มขึ้น ที่ประมาณ 5 นาโนเมตรควอนตัมฮ็อตสช์ช์แปลก ๆ นี้จะกลายเป็นวิธีที่โดดเด่นในการถ่ายโอนความร้อนข้ามพื้นที่ว่าง - แซงหน้าแม้กระทั่งการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าก่อนหน้านี้คิดว่าเป็นวิธีเดียวสำหรับพลังงานที่จะข้ามสูญญากาศ

ถึงกระนั้นนักวิจัยเหล่านั้นก็คาดการณ์ว่าผลกระทบจะมีความสำคัญสูงถึงระดับประมาณ 10 นาโนเมตร แต่การเห็นอะไรในระดับ 10 นาโนเมตรนั้นยาก

“ เมื่อเราออกแบบการทดลองเรารู้ว่าสิ่งนี้ไม่สามารถทำได้ง่าย” หลี่บอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต

แม้ว่าเอฟเฟกต์จะเกิดขึ้นมาตราส่วนเชิงพื้นที่มีขนาดเล็กมากจนไม่มีวิธีที่ดีในการวัดโดยสรุป ในการผลิตการสังเกตโดยตรงครั้งแรกของความร้อนข้ามสูญญากาศนักฟิสิกส์ UC Berkeley คิดหาวิธีปรับขนาดการทดลอง

"เราออกแบบการทดลองที่ใช้เยื่อหุ้มกลไกที่อ่อนนุ่มมาก" หมายความว่าพวกเขามีความยืดหยุ่นมากหรือยืดกล้ามเนื้อหลี่กล่าว

หากคุณถอนสายกีต้าร์เหล็กแข็งเขาอธิบายว่าการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจะเล็กกว่าที่คุณเห็นว่าคุณดึงสายกีต้าร์ไนลอนที่ยืดหยุ่นมากขึ้นด้วยความแข็งแรงเดียวกัน สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับระดับนาโนในการทดลอง: เยื่อหุ้มเซลล์ที่มีความยืดหยุ่นพิเศษเหล่านั้นอนุญาตให้นักวิจัยเห็นการสั่นสะเทือนความร้อนเล็ก ๆ น้อย ๆ ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ โดยการตีกลับอย่างระมัดระวังจากเยื่อหุ้มเซลล์เหล่านั้นนักวิจัยสามารถสังเกตเห็นเสียงของความร้อนที่ข้ามช่องว่างที่ยังคงอยู่

หลี่กล่าวว่างานนี้อาจเป็นประโยชน์-ทั้งผู้สร้างคอมพิวเตอร์ทั่วไปและนักออกแบบคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ปัญหาสำคัญในการสร้างไมโครชิปที่ดีขึ้นและเร็วขึ้นคือการหาวิธีแยกแยะความร้อนจากวงจรที่จัดกลุ่มเข้าไปในพื้นที่เล็ก ๆ Li กล่าว

“ การค้นพบของเรามีความหมายว่าคุณสามารถสร้างสูญญากาศเพื่อกระจายความร้อนจากชิปคอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์ระดับนาโน” เขากล่าว

หากคุณจะปรับแต่งสูญญากาศโดยการสร้างมันด้วยวัสดุที่เหมาะสมมันอาจ - ในอนาคต - มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการดึงความร้อนออกจากชิปมากกว่าสื่อที่มีอยู่ใด ๆ เขากล่าว

เทคนิคที่นักวิจัยใช้สามารถนำไปใช้ได้พัวพันPhonons - การสั่นสะเทือนของตัวเอง - ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่แตกต่างกัน ที่จะเชื่อมโยงโฟนอนในระดับควอนตัมในลักษณะเดียวกันกับควอนตัมนักฟิสิกส์เชื่อมโยงโฟตอนแล้วหรืออนุภาคแสงที่แยกออกจากกันในอวกาศ เมื่อเชื่อมโยงแล้วโฟนอนสามารถใช้ในการจัดเก็บและถ่ายโอนข้อมูลควอนตัมเพื่อทำหน้าที่เป็น "qubits เชิงกล" ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมสมมุติ และเมื่อเย็นลงเขากล่าวว่าโฟนอนควรมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการจัดเก็บข้อมูลระยะยาวกว่า qubits แบบดั้งเดิม

เผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวิทยาศาสตร์สด-

ต้องการวิทยาศาสตร์มากขึ้น? รับการสมัครสมาชิกสิ่งพิมพ์น้องสาวของเรานิตยสาร "มันทำงานอย่างไร"สำหรับข่าววิทยาศาสตร์ที่น่าทึ่งล่าสุด (เครดิตภาพ: Future PLC)

相關貼文