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真空竟能熱傳導(dǎo),甚至能傳播聲音!華人團(tuán)隊(duì)新

時(shí)間:2020-01-14 15:49來源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:
歡迎關(guān)注“創(chuàng)事記”微信訂閱號:sinachuangshiji文/魚羊栗子曉查來源:量子位(ID:QbitAI)現(xiàn)在,聲音不能在真空中傳播

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文/魚羊 栗子 曉查

來源:量子位(ID:QbitAI)

現(xiàn)在,聲音不能在真空中傳播的認(rèn)知,很可能要被打破了。

UC伯克利的華人科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),兩片金屬之間即使是真空,也可以傳導(dǎo)熱量和聲音。

他們用實(shí)驗(yàn)證明了:熱量可以跨越幾百納米的完全真空,從一片金屬傳導(dǎo)到另一片金屬上。這一發(fā)現(xiàn)未來在可能在芯片散熱設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要的作用。

眾所周知,熱傳導(dǎo)本質(zhì)是分子之間相互傳遞動能,而真空中沒有任何原子分子。所以人們一直認(rèn)為,真空中是不存在熱傳導(dǎo)的,傳遞熱量只能像太陽那樣熱輻射才行。

我們使用的保溫杯就是利用了這一原理,把夾層抽成真空,從而阻止了熱量的傳導(dǎo)。

但這一登上Nature的研究顛覆了古典物理學(xué)的基本原則。

論文通訊作者張翔教授還表示,由于分子振動也是聲音傳播的基礎(chǔ),因此這一發(fā)現(xiàn)暗示了聲音也可以通過真空傳播。

對于真空能傳遞熱量和聲音這件事情,早在幾十年前就已經(jīng)做出預(yù)測。

真空也會產(chǎn)生壓力

1948年,一位名叫卡西米爾的荷蘭物理學(xué)家預(yù)測,在真空中的兩塊中性的金屬板會受到壓力的作用而相互靠近。

當(dāng)金屬板的距離縮小到10納米,也就是大約100個(gè)原子直徑時(shí),真空施加的壓力將會達(dá)到1個(gè)大氣壓。

十年后,他的預(yù)言得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為何真空會產(chǎn)生壓力呢?“真空”真的是空無一物嗎?量子力學(xué)不這么認(rèn)為。

量子力學(xué)認(rèn)為,一個(gè)物體的位置和速度不可能同時(shí)測準(zhǔn),也就是說物體不可能完全靜止下來(否則速度精確為零)。這也就意味著,即使處在最低能量的狀態(tài),能量也不可能為零。

對于電磁波也是一樣,量子場論指出,即使一個(gè)空間中沒有任何原子、沒有光,但其中仍然存在一些量子場的波動。

就好像有無數(shù)彈簧和小球充滿了我們所在的空間,而且在不停地振動。這種現(xiàn)象被物理學(xué)家叫做量子漲落。

一般情況下,這些振動產(chǎn)生的效應(yīng)是相互抵消的,但是當(dāng)空間中加入金屬板后,一切都變得不一樣了。

兩個(gè)非常平滑的金屬板相互靠近時(shí),金屬板之間因量子漲落產(chǎn)生的電磁波會受到限制,只有一些特殊的波會存在,它們在金屬板表面處的振幅必須為0。

而在金屬板外,電磁波不會受到這樣的限制,因此外部存在的電磁波模式會多于內(nèi)部。

電磁波的照射,本質(zhì)上就是光子打在金屬板上,會產(chǎn)生壓力。

外面的電磁波模式更多,產(chǎn)生的壓力也更大,所以會產(chǎn)生一個(gè)總體向內(nèi)的壓力。

這一物理現(xiàn)象被稱為卡西米爾效應(yīng),真空產(chǎn)生的力也被叫做卡西米爾力。

壁虎的腳能粘到墻上,就是卡西米爾力宏觀體現(xiàn)的一個(gè)例子。

但是這種力隨著距離的增加而迅速下降,只有在亞微米的距離上才能觀測到。直到納米技術(shù)的發(fā)展才讓觀測卡西米爾力成為可能。

除了宏觀可見的壓力,卡西米爾力也會附帶產(chǎn)生其他物理現(xiàn)象,比如不借助熱輻射,就是可以在兩個(gè)不接觸的物體之間傳遞熱量。

真空熱傳導(dǎo)

熱量,其實(shí)就是物體內(nèi)部原子振動,物理學(xué)家把這種原子的集體振動叫做聲子。聲子不是真實(shí)的粒子,只是描述原子振動模式的一種“準(zhǔn)粒子”。

在這些聲子的作用下,物體的表面會隨著時(shí)間而起伏。當(dāng)兩個(gè)物體相互靠近時(shí),由于第一個(gè)物體表面的起伏,第二個(gè)物體因受到卡西米爾力的作用,也會同樣起伏。

因此,聲子就這樣穿過真空,傳輸?shù)搅说诙€(gè)物體上。

聲子是熱量的載體,當(dāng)卡西米爾力將聲子通過真空間隙傳遞時(shí),熱量也會同時(shí)被傳遞過去。

真空漲落產(chǎn)生的電磁波(也就是光子)就像彈簧一樣把兩個(gè)物體連接起來。較熱物體中的聲子可以將熱能傳遞給光子,然后光子繼續(xù)將能量傳遞給較冷物體。

原則上,太陽產(chǎn)生的熱量也會通過這種方式傳遞給地球,但是日地距離太遠(yuǎn)了,主要的熱量還是通過太陽光來傳遞。

當(dāng)兩者距離很小時(shí),卡西米爾效應(yīng)產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)將超過熱輻射,占據(jù)主導(dǎo)地位。

這種由卡西米爾力傳導(dǎo)熱量的現(xiàn)象,早在2011年就已經(jīng)被理論模型所預(yù)測,但是這種效應(yīng)太微弱了,很容易被其他現(xiàn)象掩蓋。

現(xiàn)在,加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們,通過實(shí)驗(yàn)精確測量了這種傳熱模式。

張翔團(tuán)隊(duì)和花費(fèi)了四年的時(shí)間,才完成了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和測量。

實(shí)驗(yàn)對溫度、距離和對齊方式的要求非??量?。炎熱的天氣會使實(shí)驗(yàn)室升溫,在夏季無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外,測量本身要花費(fèi)很長時(shí)間才能消除噪聲,測量每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都需要花費(fèi)四個(gè)小時(shí)。

真的可以

要證明真空中能實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo),團(tuán)隊(duì)在真空環(huán)境里放了兩片氮化硅膜,它們之間相距幾百納米。

兩片氮化硅膜的尺寸不一樣,一片是330×330微米,另一片是280×280微米,但厚度都是0.1微米。

為了產(chǎn)生卡西米爾效應(yīng),科學(xué)家在每片氮化硅膜的兩面都鍍了金(75納米) ,在真空中反射電磁波。

兩片薄膜之所以面積不一樣,是為了讓二者在不同的溫度下有相同的振動頻率,讓兩片薄膜達(dá)到共振,更高效地交換能量。

另外,兩側(cè)還要用激光干涉技術(shù)來測量膜表面的分子熱運(yùn)動。

既然加了激光,就要避免熱光加熱 (Thermo-Optical Heating) 產(chǎn)生的影響,最大程度保證溫度的升高就是來自真空熱傳導(dǎo)。于是,團(tuán)隊(duì)用最低功率的激光,以20dB的信噪比解決了基本頻率下的熱機(jī)械噪音。

要證明熱傳導(dǎo)真的發(fā)生,只要加熱其中一片氮化硅膜,看另外一片有沒有被加熱。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),另一片氮化硅膜真的被加熱了,因?yàn)槟蓚?cè)出現(xiàn)了溫度差。在這個(gè)過程中,熱輻射發(fā)出的熱量相比熱傳導(dǎo),可以忽略不計(jì)。

傳輸熱量的多少,就與兩側(cè)的溫度有關(guān)。根據(jù)熱傳導(dǎo)定律,溫度差與兩個(gè)相互作用的膜之間的傳熱量成正比。

研究人員測量了在不同距離真空間隙的條件下,膜之間傳遞的熱量。他們發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果準(zhǔn)確地符合了卡西米爾效應(yīng)傳熱的理論估計(jì)值。

至于溫度是怎樣測定的,團(tuán)隊(duì)依靠聲子模式 (Phonon Modes) 的熱布朗運(yùn)動,來量化它們的溫度變化。

熱布朗運(yùn)動的測量,可以與膜表面的原子溫度關(guān)聯(lián)起來,所以也可以用作為衡量溫度的工具。

他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)膜之間的距離小于600納米時(shí),開始表現(xiàn)出其他現(xiàn)象無法解釋的溫度變化。在400納米以下,熱交換速率足以使兩片膜很快達(dá)到幾乎相同的溫度。

研究人員由此計(jì)算出,大約需要50秒時(shí)間,才能將能量轉(zhuǎn)移到一個(gè)可見光子中。這個(gè)數(shù)字看似微不足道,但張翔指出,它仍然構(gòu)成了“物體之間熱量傳遞的新機(jī)制”。

研究意義

對于這項(xiàng)研究突破,論文共同一作李昊坤表示:

新傳熱機(jī)制的發(fā)現(xiàn),為納米級熱管理開創(chuàng)了前所未有的機(jī)會,這對于高速計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲非常重要。

現(xiàn)在,我們可以設(shè)計(jì)量子真空來提取集成電路中的熱量了。

也就是說,對于受散熱問題制約的計(jì)算機(jī)芯片及其他納米級電子元件的設(shè)計(jì)工作而言,這一新的發(fā)現(xiàn)可能會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

隨著電子設(shè)備尺寸變得越來越小,這一發(fā)現(xiàn)可能讓硬件工程師來設(shè)計(jì)納米尺度下中的散熱。我們的硬盤就可能用到這項(xiàng)技術(shù),在機(jī)械硬盤中,讀寫磁頭到盤面的距離僅為3納米。

還有網(wǎng)友認(rèn)為,這樣效應(yīng)對微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的設(shè)計(jì)也有重要意義:

根據(jù)維基百科,在10nm的間隔中,卡西米爾效應(yīng)產(chǎn)生的壓力相當(dāng)于1個(gè)大氣壓。這是超微米尺度上的主要作用力。揭開這種力量的面紗將會幫助MEMS進(jìn)一步小型化。

還有網(wǎng)友補(bǔ)充說,想來通過光刻技術(shù)制造各種尺寸芯片所需的光頻率,與卡西米爾效應(yīng)中的截止頻率之間存在著對應(yīng)關(guān)系。

而對于論文作者提到的“暗示聲音也可以通過真空傳播”這一點(diǎn),有網(wǎng)友說道:

這是一個(gè)很棒的實(shí)驗(yàn)。這下,那些因?yàn)榻o太空飛船的引擎配上了音軌而被嘲笑的特效師們要平反了,哈哈哈

研究中另一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn),是利用真空將不同的導(dǎo)熱體分開。這或許可以造出小規(guī)模的熱泵。

不過也有網(wǎng)友指出,聲音的音量呈指數(shù)衰減,因此在真空中聽到聲音的前提條件是,得像本實(shí)驗(yàn)中的氮化硅膜那樣靠得非常近(0.0004毫米)。

華人團(tuán)隊(duì)

這篇Nature論文的研究團(tuán)隊(duì),是全華班陣容,來自UC伯克利張翔教授的研究小組。

論文有兩位共同一作。

一位是King Yan Fong,博士畢業(yè)于耶魯大學(xué),現(xiàn)為UC伯克利的博士后研究員。

另一位是李昊坤,湖南衡陽人,2009年從湖南師大附中畢業(yè),因獲全國中學(xué)生物理競賽一等獎而保送至北京大學(xué)。后于UC伯克利獲工程與應(yīng)用科學(xué)博士學(xué)位,2019年畢業(yè)。

論文通訊作者,是香港大學(xué)校長、中國科學(xué)院外籍院士、美國國家工程院院士張翔。

張翔教授生于江蘇南京,本碩畢業(yè)于南京大學(xué),1996年獲UC伯克利機(jī)械工程系博士學(xué)位?,F(xiàn)在,他也擔(dān)任著UC伯克利特聘教授兼NSF納米科學(xué)與工程中心(NSEC)主任,勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室主任等職務(wù)。

論文的其他幾位作者,分別是本科畢業(yè)于西安交通大學(xué),后于北京師范大學(xué)獲博士學(xué)位的Rongkuo Zhao。2017年,他從UC伯克利博士后出站,現(xiàn)為光刻巨頭ASML高級產(chǎn)品工程師。

Sui Yang,博士畢業(yè)于UC伯克利,師從張翔教授?,F(xiàn)為NSEC研究科學(xué)家。

Yuan Wang,本科畢業(yè)于南京大學(xué),后于加州大學(xué)洛杉磯分校獲碩士學(xué)位,2009年從UC伯克利博士畢業(yè)?,F(xiàn)于NSEC工作。

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Nature論文:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4


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