Как можно нагреть тело в вакууме?

Физики обнаружили, что две крошечные вибрирующие мембраны могут выравнивать свои температуры, несмотря на то, что между ними находится вакуум, через который, как считалось ранее, невозможно передавать тепло без помощи излучения. Данный тип теплопередачи был предсказан, но до сих пор не осуществлялся.

Содержание статьи

Что такое вакуум

Вакуум является лучшей теплоизоляционной средой. Но квантовая механика позволяет теплу его преодолеть, говорит физик Кинг Ян Фонг, проводивший исследование в Калифорнийском университете в Беркли. Для расстояний в масштабе нанометров тепло может передаваться через вакуум посредством квантовых флуктуаций — своего рода перемешивания переходных частиц и полей, которое происходит даже в абсолютно пустом пространстве.

Изготовленные из золоченого нитрида кремния, мембраны имеют ширину около 300 микрометров. Исследователи охладили одну мембрану и нагрели другую так, что разница их температур составила около 25 градусов Цельсия. Это вызывало вибрацию мембран: чем теплее мембрана, тем энергичнее она вибрирует. Когда мембраны находились в нескольких сотнях нанометров друг от друга, их температуры, несмотря на вакуум, выравнивались — тепло передавалось от одной к другой.

Как передать тепло

Тепло передается тремя способами: в результате прямого контакта, конвекции и излучения. Для конвекции необходим теплоноситель — жидкость или газ, выступающие в роли посредника между двумя телами. Передача тепла с помощью излучения возможна и в вакууме — так Солнце греет Землю.

Теперь экспериментально был доказан еще один путь передачи тепла, хотя он осуществляется только на очень малых расстояниях. Данная передача тепла основана на эффекте Казимира: квантовые флуктуации создают силу притяжения между двумя поверхностями, разделенными вакуумом. В квантовой механике пустое пространство никогда не может быть по-настоящему пустым: в нем присутствуют электромагнитные волны, которые могут воздействовать на материалы. В описанном эксперименте две мембраны воздействовали друг на друга: вибрации более горячей заставляли вибрировать более холодную мембрану чаще, из-за чего их вибрации и температуры выровнялись.

Результат открытия

Этот новый тип теплопередачи может помочь улучшить характеристики наноразмерных устройств. А тепло — это большая проблема в нанотехнологиях: производительность крошечных микросхем во многом зависит от того, с какой скоростью они способны рассеивать тепло.