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真空竟能热传导,甚至能传播声音!华人团队新研究突破认知,登上Nature

量子位 · 2020-01-14
现在,声音不能在真空中传播的认知,很可能要被打破了。

编者按:本文来自微信公众号“量子位”(ID:QbitAI),作者:鱼羊 栗子 晓查 发自 凹非寺,36氪经授权发布

UC伯克利的华人科学家们发现,两片金属之间即使是真空,也可以传导热量和声音。

他们用实验证明了:热量可以跨越几百纳米的完全真空,从一片金属传导到另一片金属上。这一发现未来在可能在芯片散热设计中发挥重要的作用。

众所周知,热传导本质是分子之间相互传递动能,而真空中没有任何原子分子。所以人们一直认为,真空中是不存在热传导的,传递热量只能像太阳那样热辐射才行。

我们使用的保温杯就是利用了这一原理,把夹层抽成真空,从而阻止了热量的传导。

但这一登上Nature的研究颠覆了古典物理学的基本原则。

论文通讯作者张翔教授还表示,由于分子振动也是声音传播的基础,因此这一发现暗示了声音也可以通过真空传播。

对于真空能传递热量和声音这件事情,早在几十年前就已经做出预测。

真空也会产生压力

1948年,一位名叫卡西米尔的荷兰物理学家预测,在真空中的两块中性的金属板会受到压力的作用而相互靠近。

当金属板的距离缩小到10纳米,也就是大约100个原子直径时,真空施加的压力将会达到1个大气压。

十年后,他的预言得到了实验验证。

为何真空会产生压力呢?“真空”真的是空无一物吗?量子力学不这么认为。

量子力学认为,一个物体的位置和速度不可能同时测准,也就是说物体不可能完全静止下来(否则速度精确为零)。这也就意味着,即使处在最低能量的状态,能量也不可能为零。

对于电磁波也是一样,量子场论指出,即使一个空间中没有任何原子、没有光,但其中仍然存在一些量子场的波动。

就好像有无数弹簧和小球充满了我们所在的空间,而且在不停地振动。这种现象被物理学家叫做量子涨落。

一般情况下,这些振动产生的效应是相互抵消的,但是当空间中加入金属板后,一切都变得不一样了。

两个非常平滑的金属板相互靠近时,金属板之间因量子涨落产生的电磁波会受到限制,只有一些特殊的波会存在,它们在金属板表面处的振幅必须为0。

而在金属板外,电磁波不会受到这样的限制,因此外部存在的电磁波模式会多于内部。

电磁波的照射,本质上就是光子打在金属板上,会产生压力。

外面的电磁波模式更多,产生的压力也更大,所以会产生一个总体向内的压力。

这一物理现象被称为卡西米尔效应,真空产生的力也被叫做卡西米尔力。

壁虎的脚能粘到墙上,就是卡西米尔力宏观体现的一个例子。

但是这种力随着距离的增加而迅速下降,只有在亚微米的距离上才能观测到。直到纳米技术的发展才让观测卡西米尔力成为可能。

除了宏观可见的压力,卡西米尔力也会附带产生其他物理现象,比如不借助热辐射,就是可以在两个不接触的物体之间传递热量。

真空热传导

热量,其实就是物体内部原子振动,物理学家把这种原子的集体振动叫做声子。声子不是真实的粒子,只是描述原子振动模式的一种“准粒子”。

在这些声子的作用下,物体的表面会随着时间而起伏。当两个物体相互靠近时,由于第一个物体表面的起伏,第二个物体因受到卡西米尔力的作用,也会同样起伏。

因此,声子就这样穿过真空,传输到了第二个物体上。

声子是热量的载体,当卡西米尔力将声子通过真空间隙传递时,热量也会同时被传递过去。

真空涨落产生的电磁波(也就是光子)就像弹簧一样把两个物体连接起来。较热物体中的声子可以将热能传递给光子,然后光子继续将能量传递给较冷物体。

原则上,太阳产生的热量也会通过这种方式传递给地球,但是日地距离太远了,主要的热量还是通过太阳光来传递。

当两者距离很小时,卡西米尔效应产生的热传导将超过热辐射,占据主导地位。

这种由卡西米尔力传导热量的现象,早在2011年就已经被理论模型所预测,但是这种效应太微弱了,很容易被其他现象掩盖。

现在,加州大学伯克利分校的科学家们,通过实验精确测量了这种传热模式。

张翔团队和花费了四年的时间,才完成了实验的设计和测量。

实验对温度、距离和对齐方式的要求非常苛刻。炎热的天气会使实验室升温,在夏季无法进行实验。此外,测量本身要花费很长时间才能消除噪声,测量每个数据点都需要花费四个小时。

真的可以

要证明真空中能实现热传导,团队在真空环境里放了两片氮化硅膜,它们之间相距几百纳米。

两片氮化硅膜的尺寸不一样,一片是330×330微米,另一片是280×280微米,但厚度都是0.1微米。

为了产生卡西米尔效应,科学家在每片氮化硅膜的两面都镀了金 (75纳米) ,在真空中反射电磁波。

两片薄膜之所以面积不一样,是为了让二者在不同的温度下有相同的振动频率,让两片薄膜达到共振,更高效地交换能量。

另外,两侧还要用激光干涉技术来测量膜表面的分子热运动。

既然加了激光,就要避免热光加热 (Thermo-Optical Heating) 产生的影响,最大程度保证温度的升高就是来自真空热传导。于是,团队用最低功率的激光,以20dB的信噪比解决了基本频率下的热机械噪音。

要证明热传导真的发生,只要加热其中一片氮化硅膜,看另外一片有没有被加热。

结果发现,另一片氮化硅膜真的被加热了,因为膜两侧出现了温度差。在这个过程中,热辐射发出的热量相比热传导,可以忽略不计。

传输热量的多少,就与两侧的温度有关。根据热传导定律,温度差与两个相互作用的膜之间的传热量成正比。

研究人员测量了在不同距离真空间隙的条件下,膜之间传递的热量。他们发现测量结果准确地符合了卡西米尔效应传热的理论估计值。

至于温度是怎样测定的,团队依靠声子模式 (Phonon Modes) 的热布朗运动,来量化它们的温度变化。

热布朗运动的测量,可以与膜表面的原子温度关联起来,所以也可以用作为衡量温度的工具。

他们发现,当膜之间的距离小于600纳米时,开始表现出其他现象无法解释的温度变化。在400纳米以下,热交换速率足以使两片膜很快达到几乎相同的温度。

研究人员由此计算出,大约需要50秒时间,才能将能量转移到一个可见光子中。这个数字看似微不足道,但张翔指出,它仍然构成了“物体之间热量传递的新机制”。

研究意义

对于这项研究突破,论文共同一作李昊坤表示:

新传热机制的发现,为纳米级热管理开创了前所未有的机会,这对于高速计算和数据存储非常重要。

现在,我们可以设计量子真空来提取集成电路中的热量了。

也就是说,对于受散热问题制约的计算机芯片及其他纳米级电子元件的设计工作而言,这一新的发现可能会产生深远的影响。

随着电子设备尺寸变得越来越小,这一发现可能让硬件工程师来设计纳米尺度下中的散热。我们的硬盘就可能用到这项技术,在机械硬盘中,读写磁头到盘面的距离仅为3纳米。

还有网友认为,这样效应对微机电系统(MEMS)的设计也有重要意义:

根据维基百科,在10nm的间隔中,卡西米尔效应产生的压力相当于1个大气压。这是超微米尺度上的主要作用力。揭开这种力量的面纱将会帮助MEMS进一步小型化。

还有网友补充说,想来通过光刻技术制造各种尺寸芯片所需的光频率,与卡西米尔效应中的截止频率之间存在着对应关系。

而对于论文作者提到的“暗示声音也可以通过真空传播”这一点,有网友说道:

这是一个很棒的实验。这下,那些因为给太空飞船的引擎配上了音轨而被嘲笑的特效师们要平反了,哈哈哈

研究中另一个有趣的实验,是利用真空将不同的导热体分开。这或许可以造出小规模的热泵。

不过也有网友指出,声音的音量呈指数衰减,因此在真空中听到声音的前提条件是,得像本实验中的氮化硅膜那样靠得非常近(0.0004毫米)。

华人团队

这篇Nature论文的研究团队,是全华班阵容,来自UC伯克利张翔教授的研究小组。

论文有两位共同一作。

一位是King Yan Fong,博士毕业于耶鲁大学,现为UC伯克利的博士后研究员。

另一位是李昊坤,湖南衡阳人,2009年从湖南师大附中毕业,因获全国中学生物理竞赛一等奖而保送至北京大学。后于UC伯克利获工程与应用科学博士学位,2019年毕业。

论文通讯作者,是香港大学校长、中国科学院外籍院士、美国国家工程院院士张翔。

张翔教授生于江苏南京,本硕毕业于南京大学,1996年获UC伯克利机械工程系博士学位。现在,他也担任着UC伯克利特聘教授兼NSF纳米科学与工程中心(NSEC)主任,劳伦斯·伯克利国家实验室主任等职务。

论文的其他几位作者,分别是本科毕业于西安交通大学,后于北京师范大学获博士学位的Rongkuo Zhao。2017年,他从UC伯克利博士后出站,现为光刻巨头ASML高级产品工程师。

Sui Yang,博士毕业于UC伯克利,师从张翔教授。现为NSEC研究科学家。

Yuan Wang,本科毕业于南京大学,后于加州大学洛杉矶分校获硕士学位,2009年从UC伯克利博士毕业。现于NSEC工作。

传送门

Nature论文:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4

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