Em um novo estudo, Universidade da Califórnia, Berkeley, pesquisadores mostram que a energia térmica pode viajar através de um vácuo completo graças a flutuações quânticas invisíveis. No experimento, a equipe colocou duas membranas de nitreto de silício revestidas de ouro com algumas centenas de nanômetros de distância dentro de uma câmara de vácuo. Quando eles aqueceram uma das membranas, o outro aqueceu, também, mesmo que não houvesse nada conectando as duas membranas e uma energia de luz insignificante passando entre elas. Crédito:Zhang Lab, UC Berkeley
Se você usar uma garrafa térmica com isolamento a vácuo para ajudar a manter o café quente, você deve saber que é um bom isolante porque a energia térmica tem dificuldade para se mover pelo espaço vazio. Vibrações de átomos ou moléculas, que carregam energia térmica, simplesmente não pode viajar se não houver átomos ou moléculas ao redor.
Mas um novo estudo de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, mostra como a estranheza da mecânica quântica pode virar até mesmo este princípio básico da física clássica em sua cabeça.
O estudo, aparecendo esta semana no jornal Natureza , mostra que a energia térmica pode saltar por algumas centenas de nanômetros de um vácuo completo, graças a um fenômeno da mecânica quântica chamado interação de Casimir.
Embora essa interação seja significativa apenas em escalas de comprimento muito curto, pode ter implicações profundas para o projeto de chips de computador e outros componentes eletrônicos em nanoescala, onde a dissipação de calor é fundamental. Também muda o que muitos de nós aprendemos sobre transferência de calor na física do ensino médio.
"O calor é geralmente conduzido em um sólido por meio das vibrações de átomos ou moléculas, ou os chamados fônons - mas no vácuo, não há meio físico. Então, por muitos anos, livros didáticos nos disseram que os fonons não podem viajar pelo vácuo, "disse Xiang Zhang, o professor de engenharia mecânica da UC Berkeley que orientou o estudo. "O que descobrimos, surpreendentemente, é que os fônons podem de fato ser transferidos através de um vácuo por flutuações quânticas invisíveis. "
Em um novo estudo, Universidade da Califórnia, Berkeley, pesquisadores mostram que a energia térmica pode viajar através de um vácuo completo graças a flutuações quânticas invisíveis. Para conduzir o experimento desafiador, a equipe projetou membranas de nitreto de silício extremamente finas, que eles fabricaram em uma sala limpa e livre de poeira, e, em seguida, utilizou componentes ópticos e eletrônicos para controlar e monitorar com precisão a temperatura das membranas quando estavam trancadas dentro de uma câmara de vácuo. Crédito:Violet Carter, UC Berkeley
No experimento, A equipe de Zhang colocou duas membranas de nitreto de silício revestidas de ouro com algumas centenas de nanômetros de distância dentro de uma câmara de vácuo. Quando eles aqueceram uma das membranas, o outro aqueceu, também - embora não houvesse nada conectando as duas membranas e uma energia de luz insignificante passando entre elas.
"Esta descoberta de um novo mecanismo de transferência de calor abre oportunidades sem precedentes para o gerenciamento térmico em nanoescala, que é importante para computação de alta velocidade e armazenamento de dados, "disse Hao-Kun Li, um ex-Ph.D. aluno do grupo de Zhang e co-primeiro autor do estudo. "Agora, podemos projetar o vácuo quântico para extrair calor em circuitos integrados. "
Não existe espaço vazio
A façanha aparentemente impossível de mover vibrações moleculares através do vácuo pode ser realizada porque, de acordo com a mecânica quântica, não existe espaço verdadeiramente vazio, disse o rei Yan Fong, um pós-doutorado na UC Berkeley e outro primeiro autor do estudo.
"Mesmo se você tiver um espaço vazio, não importa, sem luz - a mecânica quântica diz que não pode ser verdadeiramente vazio. Ainda existem algumas flutuações de campo quântico no vácuo, "Fong disse." Essas flutuações dão origem a uma força que conecta dois objetos, que é chamada de interação Casimir. Então, quando um objeto aquece e começa a tremer e oscilar, esse movimento pode realmente ser transmitido para outro objeto através do vácuo por causa dessas flutuações quânticas. "
Em um novo estudo surpreendente, Universidade da Califórnia, Berkeley, pesquisadores mostram que a energia térmica pode viajar através de um vácuo completo graças a flutuações quânticas invisíveis. Crédito:Violet Carter, UC Berkeley
Embora os teóricos especulem há muito tempo que a interação de Casimir poderia ajudar as vibrações moleculares a viajar através do espaço vazio, prová-lo experimentalmente tem sido um grande desafio. Para fazer isso, a equipe projetou membranas de nitreto de silício extremamente finas, que eles fabricaram em uma sala limpa e livre de poeira, e então planejou uma maneira de controlar e monitorar com precisão sua temperatura.
Eles descobriram que, selecionando cuidadosamente o tamanho e o design das membranas, eles poderiam transferir a energia térmica por algumas centenas de nanômetros de vácuo. Essa distância era grande o suficiente para que outros modos possíveis de transferência de calor fossem desprezíveis, como a energia transportada por radiação eletromagnética, que é como a energia do sol aquece a Terra.
Porque as vibrações moleculares também são a base dos sons que ouvimos, esta descoberta sugere que os sons também podem viajar através do vácuo, Zhang disse.
"Vinte e cinco anos atrás, durante meu doutorado exame de qualificação em Berkeley, um professor me perguntou 'Por que você pode ouvir minha voz através desta mesa?' Eu respondi isso, 'É porque o seu som viaja vibrando moléculas no ar.' Ele ainda perguntou, - E se sugarmos todas as moléculas de ar desta sala? Você ainda pode me ouvir? ' Eu disse, 'Não, porque não há meio para vibrar, '"Zhang disse." Hoje, o que descobrimos é um novo modo surpreendente de condução de calor através de um vácuo sem meio, o que é alcançado pelas intrigantes flutuações quânticas do vácuo. Então, Eu estava errado em meu exame de 1994. Agora, você pode gritar no vácuo. "
