Kuuma pinna puudutamisel tunnete liikumist. Kui surute oma käe teekruusi vastu, levib soojus sõrmede kaudu. See on tunne, kuidas miljardid aatomid kokku põrkavad. Pisikesed vibratsioonid kannavad soojusenergiat veest kruusini ja seejärel teie nahka, kui üks molekul koputab järgmisse, saades selle hoolega kolmandaks - ja nii edasi.
Kuumus võib ka ruumi ületada kiirguslainetena, kuid ilma kiirguseta vajab ta läbimiseks kraami - molekule, et paugutada teistesse molekulidesse. Vaakumites pole neis "kraami", seetõttu kipuvad nad soojust lõksu püüdma. Näiteks Maa orbiidil on üks suurimaid inseneri väljakutseid raketilaeva jahutamiseks nuputamine.
Kuid nüüd on teadlased näidanud, et mikroskoopilistes skaalades pole see tegelikult tõsi. Uues artiklis, mis avaldati 11. detsembril ajakirjas Nature, näitasid füüsikud, et väikesed kuumuse vibratsioonid võivad ületada sadu nanomeetreid tühja ruumi. Nende katses kasutati kvantvaakumi varjamatut tunnust: see pole tegelikult üldse tühi.
"Näitasime, et kaks objekti on võimelised" rääkima "üksteisega näiteks sadade nanomeetriste tühja ruumi ulatuses," ütles uuringu kaasautor Hao-Kun Li. Li on Stanfordi ülikooli füüsik, kes töötas selle uurimistööga samal ajal, kui ta oli Berkeley California ülikooli doktorant.
Sajad nanomeetrid on inimese mõistes lõpmatu ruum - mõni tuhandik millimeetrit või natuke suurem kui tüüpiline viirus. Kuid see on ikka liiga suur vahe, et soojus ületada, vähemalt vastavalt soojusülekande lihtsatele mudelitele.
2011. aastal hakkasid teadlased spekuleerima, et kvantvaakum võib ise olla võimeline kandma soojuse molekulaarseid vibratsioone. Ajakirjas Applied Physics Letters avaldatud artiklis juhiti tähelepanu, et kvantfüüsikas mõistetakse vaakumit kui kohta, mis on energiaga keerutatud. Aine ja energia juhuslikud kõikumised tekivad ja kaovad siis tavaliselt väiksema skaala korral, kui inimesed suudavad ette kujutada.
Need kõikumised on kaootilised ja ettearvamatud. Kuid need võiksid käituda nagu sammukivid, et viia soojuslaine - foonina tuntud kvantergatuse kujul - üle lünga. Kui te oleksite mingi foon, mille eesmärk on ületada lai, näiteks mõne tolli vahe, on tõenäosus, et õiged kõikumised õiges järjekorras, et teid ületada, oleksid nii väikesed, et ettevõtmine oleks mõttetu.
Kuid kahandage skaalat, näitasid teadlased, ja koefitsiendid paranevad. Ligikaudu 5 nanomeetri juures muutuks see imelik kvanthüpoteek domineerivaks viisiks soojuse ülekandmiseks tühjast ruumist - ületades isegi elektromagnetilise kiirguse, mida varem peeti energia ainsaks võimaluseks vaakumi ületamiseks.
Need teadlased ennustasid, et mõju on märkimisväärne vaid umbes 10 nanomeetri skaala korral. Kuid 10-nanomeetrisel skaalal on midagi näha.
"Katse kavandamisel mõistsime, et seda ei saa hõlpsasti teha," rääkis Li Live Science'ile.
Isegi kui efekt juhtub, on ruumiline skaala nii väike, et pole head viisi seda lõplikult mõõta. Vaakumi ületamise kuumuse esimese otsese vaatluse tegemiseks mõtlesid UC Berkeley füüsikud välja, kuidas katse ulatust ülespoole laiendada.
"Kavandasime eksperimendi, milles kasutati väga pehmeid mehaanilisi membraane," tähendab Li, et need on väga elastsed või venivad.
Kui seletate jäiga terasest kitarrikeeli, selgitas ta, on sellest tulenevad vibratsioonid palju väiksemad kui siis, kui näeksite, kui kitkuksite sama tugevusega elastsema nailonkitarri nööri. Sama asi juhtus eksperimendis ka nanomõõtmetes: Need ülielastsed membraanid võimaldasid teadlastel näha pisikesi kuumuse vibratsioone, mida muidu poleks olnud näha. Nendest membraanidest kerge valgust põrgates suutsid teadlased jälgida soojusfoone, mis ületasid endiselt väikese miinuskraadi.
Li sõnul võiks see töö osutuda kasulikuks - nii tavaliste arvutite ehitajatele kui ka kvantarvutite kujundajatele.
Paremate ja kiiremate mikrokiipide ehitamisel on põhiprobleemiks nuputamine, kuidas hajutada soojust väikestesse ruumidesse rühmitatud vooluringidest, ütles Li.
"Meie avastus tähendab tegelikult, et võiksite vaakumi kujundada arvutikiipide või nanomõõtmeliste seadmete soojuse hajutamiseks," ütles ta.
Ta täpsustaks, et kui vaakumit häälestada, õigesti seda sobivate materjalidega vormindades, võib see - kaugemas tulevikus - tõhusamalt kiibilt soojust eraldada kui mõni olemasolev meedium.
Teadlaste rakendatud tehnikaid võiks kasutada ka foononite - vibratsioonide endi - kinnistamiseks erinevatele membraanidele. See ühendaks footonid kvanttasandil samamoodi - kvantfüüsikud ühendavad juba kosmoses eraldatud footonid ehk valgusosakesed. Pärast ühendamist saaks footoneid kasutada kvantteabe salvestamiseks ja edastamiseks, mis toimiks hüpoteetilise kvantarvuti "mehaaniliste vuttidena". Ja kui ta on jahtunud, peaksid tema sõnul olema fonoonid pikaajalise andmesalvestuse jaoks veelgi tõhusamad kui traditsioonilised jupid.
