Kun kosketat kuumaa pintaa, tunnet liikkumisen. Jos painat kättäsi mukin teetä vastaan, lämpö leviää sormesi läpi. Se on senssio, että miljardit atomit räjähtävät yhdessä. Pienet värähtelyt kuljettavat lämpöenergiaa vedestä mukiin ja sitten ihoosi, kun yksi molekyyli koputtaa seuraavaan lähettäen sen hoitamiseksi kolmanteen - ja niin edelleen linjan alapuolella.
Lämpö voi myös ylittää avaruuden säteilyaaltoina, mutta ilman säteilyä se tarvitsee tavaran kulkemiseen - molekyylejä bang toisiin molekyyleihin. Tyhjiöissä ei ole "juttuja", joten niillä on taipumus vangita lämpöä. Esimerkiksi maapallon kiertoradalla yksi suurimmista tekniikan haasteista on rakettialuksen jäähdyttämisen selvittäminen.
Mutta nyt tutkijat ovat osoittaneet, että mikroskooppisilla vaakoilla tämä ei ole totta. Luonne-lehdessä 11. joulukuuta julkaistussa uudessa lehdessä fyysikot osoittivat, että pienet lämmön värähtelyt voivat ylittää satoja nanometriä tyhjää tilaa. Heidän kokeilussaan hyödynnettiin kvantt tyhjiön piilevää ominaisuutta: Se ei oikeastaan ole tyhjä.
"Osoitimme, että kaksi objektia kykenevät" puhumaan "toistensa kanssa esimerkiksi satojen nanometrien tyhjän tilan yli", kertoi tutkimuksen johtava kirjoittaja Hao-Kun Li. Li on Stanfordin yliopiston fyysikko, joka työskenteli tämän tutkimuksen parissa tohtoriopiskelijana Kalifornian yliopistossa, Berkeley.
Sadat nanometrit ovat inhimillisesti ääretön tila - muutama tuhannesosa millimetriä tai hiukan suurempi kuin tyypillinen virus. Mutta se on edelleen aivan liian suuri rako lämmön ylittämiseksi, ainakin lämmönsiirron yksinkertaisten mallien mukaan.
Vuonna 2011 tutkijat alkoivat spekuloida siitä, että kvantt tyhjiö itsessään voisi kyetä kantamaan lämmön molekyylinärinää. Applied Physics Letters -lehdessä julkaistu artikkeli huomautti, että kvanttifysiikassa tyhjiö ymmärretään paikalla, joka kiertää energiaa. Aineen ja energian satunnaiset vaihtelut esiintyvät ja katoavat sitten yleensä asteikolla, jotka ovat paljon pienemmät kuin ihmiset voivat kuvitella.
Nuo vaihtelut ovat kaoottisia ja arvaamattomia. Mutta ne voisivat toimia kuin askelkiviä kuljettamaan lämpöaallon - fononiksi kutsutun kvanttherätyksen muodossa - raon poikki. Jos olisit puhelinliittymässä, joka ylittää suuren, esimerkiksi muutaman tuuman, aukon, oikeiden vaihtelut, jotka tapahtuvat oikeassa järjestyksessä saadaksesi sinut läpi, olisivat niin pieniä, että pyrkimys olisi turhaa.
Mutta kutista mittakaavaa, tutkijat osoittivat, ja kertoimet paranevat. Noin 5 nanometrin painalluksesta tästä omituisesta kvanttihyppystä tulee hallitseva tapa siirtää lämpöä tyhjän tilan yli - ylittäen jopa sähkömagneettisen säteilyn, jonka aiemmin ajateltiin olevan ainoa tapa energialle ylittää tyhjiö.
Silti nämä tutkijat ennustivat vaikutuksen olevan merkittävää vain noin 10 nanometrin mittakaavassa. Mutta nähdä jotain 10 nanometrin mittakaavassa on vaikeaa.
"Suunnitellessamme kokeen ymmärsimme, että sitä ei voida helposti tehdä", Li kertoi Live Sciencelle.
Vaikka vaikutus tapahtuu, paikallinen mittakaava on niin pieni, ettei ole mitään hyvää tapaa mitata sitä lopullisesti. Ensimmäisen suoran lämpöhavainnon suorittamiseksi tyhjiön läpi UC Berkeley -fyysikot keksivat, kuinka kokeen mittakaava ylöspäin.
"Suunnittelimme kokeilun, joka käyttää erittäin pehmeitä mekaanisia kalvoja", mikä tarkoittaa, että ne ovat erittäin elastisia tai joustavia, Li sanoi.
Hän selitti, että jos kynnet jäykän teräskitaran kielen, tuloksena olevat värähtelyt ovat paljon pienempiä kuin mitä näet, jos kynit joustavamman nailonkitaran kielen samalla vahvuudella. Sama asia tapahtui nanomittakaavassa kokeessa: Niiden ultrajoustavien kalvojen ansiosta tutkijat näkivät pienet lämpövärähtelyt, joita muuten ei olisi ollut näkyvissä. Hyppäämällä valoa varovasti noista membraaneista, tutkijat pystyivät havaitsemaan lämpöfononeja, jotka ylittivät edelleen pienen raon.
Tiellä, Li sanoi, tämä työ saattaa osoittautua hyödylliseksi - sekä tavallisten tietokoneiden rakentajille että kvantitietokonesuunnittelijoille.
Keskeinen ongelma parempien ja nopeampien mikrosirujen rakentamisessa on selvittää, miten lämpö voidaan hajauttaa pieniin tiloihin ryhmittyneistä piireistä, Li kertoi.
"Löytömme tarkoittaa tosiasiassa, että voisit suunnitella tyhjiön hajottamaan lämpöä tietokoneiden siruista tai nanomittakaavoisista laitteista", hän sanoi.
Hänen mukaansa jos viritettäisiin tyhjiötä muotoilemalla se oikein oikein materiaalein, siitä voi tulevaisuudessa olla tehokkaampaa vetää lämpöä siru pois kuin mikään olemassa oleva väline.
Tutkijoiden käyttämiä tekniikoita voitaisiin käyttää myös fononien - itse värähtelyjen - takertumiseen eri kalvoihin. Se yhdistäisi fononit kvanttitasolla samalla tavalla kuin kvanttifyysikot linkittävät jo avaruudessa erotetut fotonit tai valopartikkelit. Yhdistettyäänään fononeja voidaan käyttää kvantitietojen tallentamiseen ja siirtoon toimimaan hypoteettisen kvantitietokoneen "mekaanisina kappaleina". Ja kun hän on jäähtynyt, fononien pitäisi olla vielä tehokkaampia pitkäaikaisessa tietojen varastoinnissa kuin perinteiset kvbitit.
