Quando tocchi una superficie calda, senti il movimento. Se premi la mano contro una tazza di tè, il calore si diffonde tra le dita. Questa è la sensazione di miliardi di atomi che sbattono insieme. Le piccole vibrazioni trasportano energia termica dall'acqua alla tazza e poi nella pelle mentre una molecola bussa alla successiva, facendola schizzare in una terza e così via lungo la linea.
Il calore può anche attraversare lo spazio come onde di radiazione, ma senza radiazioni, ha bisogno di materiale per passare attraverso - molecole per sbattere contro altre molecole. I vuoti non hanno "roba" in loro, quindi tendono a intrappolare il calore. Nell'orbita terrestre, ad esempio, una delle maggiori sfide ingegneristiche è capire come raffreddare un razzo.
Ma ora, i ricercatori hanno dimostrato che, su scale microscopiche, questo non è proprio vero. In un nuovo articolo pubblicato l'11 dicembre sulla rivista Nature, i fisici hanno mostrato che piccole vibrazioni di calore possono attraversare centinaia di nanometri di spazio vuoto. Il loro esperimento ha sfruttato una strana caratteristica del vuoto quantico: non è affatto vuoto.
"Abbiamo dimostrato che due oggetti sono in grado di" dialogare "tra loro attraverso uno spazio vuoto, ad esempio, di centinaia di nanometri", ha affermato Hao-Kun Li, co-autore principale dello studio. Li è un fisico della Stanford University che ha lavorato a questa ricerca mentre era uno studente di dottorato all'Università della California, Berkeley.
Centinaia di nanometri è uno spazio infinitesimale in termini umani - qualche millesimo di millimetro, o un po 'più grande di un tipico virus. Ma questo è ancora uno spazio troppo grande per attraversare il calore, almeno secondo i semplici modelli di trasferimento del calore.
Nel 2011, i ricercatori hanno iniziato a ipotizzare che il vuoto quantico stesso potrebbe essere in grado di trasportare le vibrazioni molecolari del calore. Un articolo pubblicato sulla rivista Applied Physics Letters ha sottolineato che, nella fisica quantistica, il vuoto è inteso come un luogo che brucia di energia. Le fluttuazioni casuali di materia ed energia si manifestano e poi scompaiono, generalmente su scale molto più piccole di quanto la gente possa immaginare.
Queste fluttuazioni sono caotiche e imprevedibili. Ma potrebbero agire come trampolini di lancio per trasportare un'ondata di calore - sotto forma di un'eccitazione quantistica nota come fonone - attraverso un divario. Se fossi un fonone in procinto di attraversare un ampio divario di, diciamo, pochi pollici, le probabilità delle giuste fluttuazioni che si verificano nell'ordine giusto per farti attraversare sarebbero così basse che lo sforzo sarebbe inutile.
Ma restringono la scala, i ricercatori hanno dimostrato, e le probabilità migliorano. A circa 5 nanometri, questo strano hopscotch diventerebbe il modo dominante per trasferire il calore attraverso lo spazio vuoto, superando persino le radiazioni elettromagnetiche, precedentemente pensate come l'unico modo per l'energia di attraversare un vuoto.
Tuttavia, quei ricercatori hanno predetto che l'effetto sarebbe significativo solo fino a una scala di circa 10 nanometri. Ma vedere qualcosa su una scala da 10 nanometri è difficile.
"Quando abbiamo progettato l'esperimento, ci siamo resi conto che questo non può essere fatto facilmente", ha detto Li a Live Science.
Anche se l'effetto si verifica, la scala spaziale è così piccola che non esiste un buon modo per misurarla in modo conclusivo. Per produrre la prima osservazione diretta del calore che attraversa un vuoto, i fisici della UC Berkeley hanno capito come scalare l'esperimento.
"Abbiamo progettato un esperimento che utilizza membrane meccaniche molto morbide", nel senso che sono molto elastiche o elastiche, ha detto Li.
Se pizzichi una corda di chitarra d'acciaio rigida, ha spiegato, le vibrazioni risultanti saranno molto più piccole di quelle che vedresti se pizzichi una corda di chitarra di nylon più elastica con la stessa forza. La stessa cosa è successa sulla nanoscala nell'esperimento: quelle membrane ultraelastiche hanno permesso ai ricercatori di vedere piccole vibrazioni di calore che altrimenti non sarebbero state visibili. Rimbalzando con cura la luce da quelle membrane, i ricercatori sono stati in grado di osservare i fononi di calore che attraversano il gap ancora minuscolo.
Lungo la strada, ha detto Li, questo lavoro potrebbe rivelarsi utile - sia per la gente che costruisce computer regolari sia per i progettisti di computer quantistici.
Un problema chiave nella costruzione di microchip migliori e più veloci è capire come disperdere il calore dai circuiti raggruppati in piccoli spazi, ha detto Li.
"La nostra scoperta in realtà implica che è possibile progettare il vuoto per dissipare il calore da chip di computer o dispositivi in nanoscala", ha detto.
Se dovessi regolare il vuoto modellandolo correttamente con i materiali giusti, potrebbe - molto in futuro - diventare più efficace nell'estrarre il calore da un chip rispetto a qualsiasi altro supporto esistente, ha detto.
Le tecniche impiegate dai ricercatori potrebbero anche essere utilizzate per impigliare i fononi - le vibrazioni stesse - attraverso diverse membrane. Ciò collegherebbe i fononi a livello quantico nello stesso modo in cui i fisici quantistici già collegano i fotoni, o particelle di luce, che sono separati nello spazio. Una volta collegati, i fononi potevano essere utilizzati per memorizzare e trasferire informazioni quantistiche, per funzionare come "qubit meccanici" di un ipotetico computer quantistico. E una volta raffreddato, ha detto, i fononi dovrebbero essere ancora più efficienti nella memorizzazione dei dati a lungo termine rispetto ai qubit tradizionali.
