《自然》:第4类热传递,或为纳米器件带来“量

 新闻资讯     |      2020-06-30 04:45

热传递是自然界再普遍不过的一种现象。从物理课本上我们学到热传递的途径有三种:热传导、热对流和热辐射。比如家用的电暖器,我们靠近它就会感到温暖,这主要是热辐射在起作用;如果打开电暖器上自带的小风扇,热风吹来让我们感到更加温暖,这主要是热对流在起作用;用手摸摸电暖器的外壳,这时感觉到的就是热传导了。

热辐射是电磁波在奔向我们,电磁波可以在真空中传播,所以热辐射并不依托于物质载体,而热对流需要依托空气,热传导需要靠手与电暖器的直接接触。

宇宙尺度的真空中,热传递必须靠热辐射,太阳系大大小小的天体,都在围着太阳烤火。那么纳米尺度呢?除了热辐射之外,还有没有其它的传热方式呢?

经典力学支配着宇宙空间,量子力学支配着纳米世界。量子力学里有一种“真空不空”的观念,意思是虽然真空中没有物质,但是仍有能量涨落,因为即使是真空,也不能阻隔粒子和场之间的相互干扰。量子涨落会在相互靠近的物体之间产生奇妙的影响,这对科学家来说已经不是新鲜事了,比如,他们可以观察到一种卡西米尔效应。两个被真空阻隔的中性原子之间的相互作用力称为卡米西尔力,当量子涨落引起这两个原子的电荷密度改变时,卡西米尔效应就产生了。

关于这两个被真空阻隔的中性原子的故事还远远没有结束。卡西米尔效应发生之后,在电荷力的推动下,这两个原子之间的相对位置会发生微小的变化。它俩这一动不要紧,周围其它原子也受到了挤兑,跟着动起来。晶格振动产生声子,声子可以传热。就这样,热突破真空的阻隔传递开来。

理论物理学家早已预测了这种由卡西米尔效应促成的热传递现象。然而,想要证实这种理论模型,却十分困难。近日,物理学家K. Y. Fong 等在国际顶级学术期刊《自然》发表论文,第一次通过实验证实了这种新的传热模式,并且测量了传递的热量与真空间隔距离的关系。

卡西米尔效应只有在极短的距离内表现比较明显,所以实验设计在纳米尺度上开展。研究人员将两片直径为300微米的镀金氮化硅薄膜放在真空腔体中,这两片薄膜之间的距离只有几百纳米,他们还设法杜绝了光对传热的影响。然后,研究人员加热其中一片薄膜的同时,测量到另一片薄膜的温度也会升高。

两个宏观物体之间利用卡西米尔效应传递的热量是非常有限的,随着距离的增大这种效应会迅速减弱。不过,一旦两个物体之间的距离缩减到纳米尺度时,卡西米尔效应热传递的效果则可以与其它传热形式媲美。

“第四类热传递”对于纳米级器材的性能提升具有重要的意义。散热一直是制约纳米技术的瓶颈之一,许多电子设备用到的微型电路的规模,都受到散热的制约。如果 “量子冷却”可以精确测量,并用于纳米级器材的设计,或许会给纳米技术带来崭新的发展机会。

参考资料:Fong, K.Y., Li, H., Zhao, R. et al. Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations. Nature 576, 243–247 (2019)




上一篇:读·做·研·写促进体育教师理论素养的提高

下一篇:人类可以探索宇宙,为什么不能接触外星人?霍