เมื่อคุณสัมผัสพื้นผิวที่ร้อนแรงคุณจะรู้สึกถึงการเคลื่อนไหว หากคุณกดมือกับชาสักแก้วความร้อนจะกระจายไปทั่วนิ้วมือของคุณ นั่นเป็นความรู้สึกของอะตอมหลายพันล้านที่ต่อสู้กัน การสั่นสะเทือนเล็ก ๆ นั้นจะส่งพลังงานความร้อนจากน้ำไปยังแก้วและจากนั้นเข้าสู่ผิวของคุณในขณะที่โมเลกุลหนึ่งกระทบต่อไปส่งให้มันกลายเป็นหนึ่งในสาม - และอื่น ๆ ตามลำดับ
ความร้อนสามารถข้ามอวกาศเป็นคลื่นของการแผ่รังสี แต่ถ้าไม่มีรังสีก็ต้องมีสิ่งที่ต้องผ่าน - โมเลกุลเพื่อไปชนกับโมเลกุลอื่น เครื่องดูดฝุ่นไม่มี "สิ่ง" ในพวกเขาดังนั้นพวกเขาจึงมักจะดักความร้อน ยกตัวอย่างเช่นในวงโคจรของโลกหนึ่งในความท้าทายด้านวิศวกรรมที่ใหญ่ที่สุดคือการหาวิธีทำให้เรือจรวดเย็นลง
แต่ตอนนี้นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าในระดับจุลภาคสิ่งนี้ไม่เป็นความจริง ในกระดาษใหม่ที่ตีพิมพ์วันที่ 11 ธันวาคมในวารสาร Nature นักฟิสิกส์แสดงให้เห็นว่าการสั่นสะเทือนของความร้อนเพียงเล็กน้อยสามารถข้ามพื้นที่ว่างหลายร้อยนาโนเมตรได้ การทดลองของพวกเขาใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะที่แปลกประหลาดของสูญญากาศควอนตัม: มันไม่ได้ว่างเปล่าเลย
"เราแสดงให้เห็นว่าวัตถุสองชิ้นสามารถ 'พูดคุย' กันได้ในพื้นที่ว่างเปล่าเช่นหลายร้อยนาโนเมตร" Hao-Kun Li ผู้เขียนร่วมการศึกษากล่าว หลี่เป็นนักฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดที่ทำงานวิจัยนี้ในขณะที่เขายังเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียบาร์กลีย์
หลายร้อยนาโนเมตรเป็นพื้นที่เล็ก ๆ ในแง่ของมนุษย์ - สองสามพันมิลลิเมตรหรือใหญ่กว่าไวรัสทั่วไปเล็กน้อย แต่นั่นก็ยังคงมีช่องว่างขนาดใหญ่เกินไปสำหรับความร้อนที่จะข้ามอย่างน้อยตามแบบง่าย ๆ ของการถ่ายเทความร้อน
ในปี 2011 นักวิจัยเริ่มคาดการณ์ว่าสูญญากาศควอนตัมเองอาจสามารถนำการสั่นสะเทือนระดับโมเลกุลของความร้อน บทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Applied Physics Letters ชี้ให้เห็นว่าในฟิสิกส์ควอนตัมสูญญากาศเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นสถานที่ที่เต็มไปด้วยพลังงาน ความผันผวนของสสารและพลังงานแบบสุ่มปรากฏขึ้นมาจากนั้นก็หายไปโดยทั่วไปในระดับที่เล็กกว่าที่ผู้คนจะจินตนาการได้
ความผันผวนเหล่านั้นวุ่นวายและคาดเดาไม่ได้ แต่พวกเขาอาจทำตัวเหมือนเหยียบก้อนหินเพื่อส่งคลื่นความร้อนในรูปแบบของการกระตุ้นควอนตัมที่รู้จักกันในชื่อโฟนันข้ามช่องว่าง หากคุณเป็นคนที่พูดพล่ามเพื่อข้ามช่องว่างกว้างพูดไม่กี่นิ้วอัตราความผันผวนที่ถูกต้องที่เกิดขึ้นตามลำดับที่ถูกต้องที่จะให้คุณข้ามจะต่ำจนความพยายามจะไม่มีจุดหมาย
แต่ลดขนาดลงนักวิจัยแสดงและอัตราต่อรองดีขึ้น ที่ประมาณ 5 นาโนเมตร hopscotch ควอนตัมแปลกนี้จะกลายเป็นวิธีที่โดดเด่นในการถ่ายโอนความร้อนในพื้นที่ว่าง - ก้าวล้ำแม้แต่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าก่อนหน้านี้คิดว่าเป็นวิธีเดียวสำหรับพลังงานที่จะข้ามสูญญากาศ
ถึงกระนั้นนักวิจัยเหล่านั้นก็คาดการณ์ว่าผลกระทบจะมีความสำคัญสูงถึงประมาณ 10 นาโนเมตรเท่านั้น แต่การเห็นอะไรในระดับ 10 นาโนเมตรนั้นเป็นเรื่องยาก
"เมื่อเราออกแบบการทดลองเราตระหนักว่าสิ่งนี้ไม่สามารถทำได้อย่างง่ายดาย" หลี่เล่าเรื่องวิทยาศาสตร์สด
แม้ว่าเอฟเฟกต์จะเกิดขึ้นสเกลอวกาศนั้นเล็กจนไม่มีวิธีที่ดีในการวัดผลสรุป เพื่อสร้างการสังเกตโดยตรงครั้งแรกของความร้อนที่ข้ามสูญญากาศนักฟิสิกส์ UC Berkeley ได้คิดหาวิธีขยายขนาดการทดลองขึ้น
“ เราออกแบบการทดลองที่ใช้เมมเบรนเชิงกลที่นุ่มมาก” หมายความว่าพวกมันยืดหยุ่นหรือยืดหยุ่นมาก” หลี่กล่าว
ถ้าคุณดึงสายกีตาร์เหล็กแข็งเขาอธิบายการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจะมีขนาดเล็กกว่าที่คุณเห็นถ้าคุณดึงสายกีตาร์ไนลอนที่ยืดหยุ่นมากขึ้นด้วยความแข็งแรงเท่ากัน สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับนาโนสเกลในการทดลอง: เยื่อหุ้มที่มีความยืดหยุ่นพิเศษเหล่านี้อนุญาตให้นักวิจัยเห็นการสั่นสะเทือนของความร้อนเล็กน้อยซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ ด้วยการสะท้อนแสงอย่างแผ่วเบาออกจากเยื่อหุ้มเหล่านั้นนักวิจัยก็สามารถสังเกตเห็นหน่วยความร้อนที่ผ่านช่องว่างที่นิ่ง
หลี่กล่าวว่างานนี้อาจเป็นประโยชน์ทั้งกับคนที่สร้างคอมพิวเตอร์ทั่วไปและนักออกแบบคอมพิวเตอร์ควอนตัม
ปัญหาสำคัญในการสร้างไมโครชิพที่ดีกว่าและเร็วกว่าคือการหาวิธีการกระจายความร้อนจากวงจรที่กระจุกอยู่ในพื้นที่เล็ก ๆ หลี่กล่าว
"การค้นพบของเราบ่งบอกว่าคุณสามารถสร้างสุญญากาศเพื่อกระจายความร้อนจากชิปคอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์ระดับนาโน" เขากล่าว
หากคุณต้องการปรับสูญญากาศด้วยการสร้างรูปร่างที่เหมาะสมกับวัสดุที่เหมาะสมมันอาจจะมีประสิทธิภาพในการดึงความร้อนออกจากชิปมากกว่าสื่อที่มีอยู่ในอนาคต
เทคนิคที่นักวิจัยใช้นั้นสามารถใช้ในการดักจับโฟนันนั่นคือการสั่นสะเทือนของตัวเองผ่านเยื่อหุ้มต่างๆ นั่นจะเชื่อมโยงโฟโนนกับระดับควอนตัมในลักษณะเดียวกับที่นักฟิสิกส์ควอนตัมเชื่อมโยงโฟตอนหรืออนุภาคแสงซึ่งถูกแยกออกในอวกาศ เมื่อเชื่อมโยงโฟนันสามารถใช้ในการจัดเก็บและถ่ายโอนข้อมูลควอนตัมเพื่อทำหน้าที่เป็น "กล qubits" ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมสมมุติ และเมื่อเย็นลงเขากล่าวว่าเสียงโทรศัพท์ควรมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการจัดเก็บข้อมูลระยะยาวมากกว่า qubits แบบดั้งเดิม
