Вибрации распространяются через вакуум
 Схематичное изображение обнаруженного туннелирования фононов через вакуумный промежуток. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Тепло может переходить от более нагретого тела к менее нагретому тремя путями: за счет теплопроводности, конвекции или излучения. Конвекция требует наличия среды распространения, которой может стать, например, воздух; излучение же основано на электромагнитных волнах, способных распространяться через вакуум. В отличие от этих двух методов, теплопроводность существует только при непосредственном контакте двух тел, когда атомы одного «раскачивают» атомы другого. Традиционно этот процесс трактуется как передача фононов (квантов вибрации), что, очевидно, невозможно между двумя объектами, отделенными друг от друга промежутком вакуума. Иными словами, вакуум является запрещенной зоной для фононов.
Однако теплопередача на коротких расстояниях, как оказалось, может пошатнуть эти постулаты. В одном из последних экспериментов, проведенных в Air Force Research Laboratory (США), тепловой поток между нагретым острием и холодной поверхностью не соответствовал теоретически предсказанному, если расстояние между телами было менее 10 нм. Скорость передачи тепла превышала теоретический расчет в 1010 раз.
Для понимания происходящих процессов исследовательская группа применила методику так называемой неэластичной электронной туннельной спектроскопии (inelastic electron tunneling spectroscopy, IETS) для измерения температуры конечного атома острия. Данная методика подразумевает приложение к системе ряда напряжений и измерение электрического тока, возникающего в системе. Очевидно, что электроны, формирующие поток заряда, подвержены тепловым колебаниям, зависящим от температуры острия и, в особенности, от температуры последнего атома. Так электрические измерения приводят к температуре острия.
Подробные результаты эксперимента опубликованы в журнале Physical Review Letters. На основе обнаруженных явлений ученые сделали вывод о том, что теплота передается посредством электрического поля, «раскачивающего» электроны в более холодном теле. Грубо говоря, передача температуры осуществляется за счет передачи фононов от более нагретого тела к менее нагретому, несмотря на наличие вакуумного промежутка. Данное явление было названо туннелированием фонона, по аналогии с квантовым туннелированием электронов через потенциальный барьер. Ранее подобное явление уже наблюдалось экспериментально, однако, промежуток был заполнен веществом.
Предложенное объяснение хорошо согласуется с опубликованной недавно теоретической работой сотрудников VTT Technical Research Centre (Финляндия), описывающей туннелирование фонона между двумя пьезоэлектриками (веществами, по определению обладающими сильной связью между фононами и изменениями электрического поля).
Найденный эффект может быть полезен для создания наноустройств будущего, использующих в качестве источника энергии температурные градиенты.
Также по теме:
Источники: