Riscaldatore di spazio: gli scienziati trovano un nuovo modo di trasferire energia attraverso un vuoto



All'inizio della vita, la maggior parte dei bambini impara che toccando una stufa calda o anche essere vicino a un fuoco scoppiettante può bruciarli. Indipendentemente dal fatto che vengano trasmessi attraverso il contatto diretto o raggi di luce che attraversano lo spazio, le lezioni spesso dolorose del trasferimento di calore sono tanto intuitive quanto indimenticabili. Ora, tuttavia, gli scienziati hanno rivelato uno strano nuovo modo in cui il calore può spostarsi dal punto A al punto B. Attraverso le bizzarre proprietà quantomeccaniche dello spazio vuoto, il calore può viaggiare da un luogo a un altro senza l'ausilio di alcuna luce .

In generale, il calore è l'energia che deriva dai movimenti delle particelle: più si muovono più velocemente, più sono caldi. Su scale cosmiche, la maggior parte del trasferimento di calore avviene attraverso un vuoto attraverso fotoni o particelle di luce, emesse da stelle: è così che il sole riscalda il nostro pianeta nonostante sia distante circa 150 milioni di chilometri. Qui sulla Terra, il flusso di calore è spesso più intimo, avvenendo attraverso il contatto diretto tra i materiali e aiutato dalle vibrazioni collettive simili ad onde di atomi conosciuti come fononi.

Si pensava da tempo che i fononi non potessero trasferire energia termica attraverso lo spazio vuoto; richiedono che due oggetti si tocchino o, almeno, siano in reciproco contatto con un mezzo adatto come l'aria. Questo principio è il modo in cui i thermos mantengono il loro contenuto caldo o freddo: usano un muro che racchiude un vuoto per isolare una camera interna. Eppure gli scienziati hanno speculato per anni sulla possibilità che i fononi possano impartire calore attraverso un vuoto, incantati dal fatto sbalorditivo che la meccanica quantistica imponga che lo spazio non possa mai essere veramente vuoto.

La meccanica quantistica suggerisce che l'universo è intrinsecamente sfocato – per esempio, prova come si potrebbe, non si può mai definire una particella subatomica. Una conseguenza di questa incertezza è che un vuoto non è mai completamente vuoto, ma al contrario si diffonde con il cosiddetto che costantemente esplode e si allontana dall'esistenza. "Il vuoto non è mai completamente vuoto", afferma Xiang Zhang, fisico dell'Università della California, Berkeley, e autore senior del nuovo trasferimento di calore fononico, che è apparso in Natura l'11 dicembre.

Decenni fa, gli scienziati hanno scoperto che le particelle virtuali non erano solo possibilità teoriche ma potevano generare forze rilevabili. Ad esempio, è una forza attraente vista tra alcuni oggetti in prossimità, come due specchi posti vicini nel vuoto. Queste superfici riflettenti si muovono a causa della forza generata dai fotoni virtuali che lampeggiano dentro e fuori dall'esistenza.

Se queste effimere fluttuazioni quantistiche potessero dare origine a forze reali, riflettevano i teorici, forse avrebbero potuto fare anche altre cose, come il trasferimento di calore senza radiazione termica. Per immaginare come potrebbe funzionare il riscaldamento dei fononi tramite fluttuazioni quantistiche, immagina due oggetti con temperature diverse separate l'una dall'altra da un vuoto. I fononi nell'oggetto più caldo potrebbero impartire energia termica su fotoni virtuali nel vuoto, che potrebbero quindi trasferire tale energia sull'oggetto più freddo. Se entrambi gli oggetti sono essenzialmente raccolte di atomi oscillanti, le particelle virtuali potrebbero agire come molle per aiutare a trasportare le vibrazioni dall'una all'altra.

La questione se le fluttuazioni quantistiche potessero davvero aiutare i fononi a trasferire il calore nel vuoto "era stata discussa dai teorici per circa un decennio, a volte con stime selvaggiamente diverse per la forza dell'effetto", afferma il fisico John Pendry dell'Imperial College di Londra , che non ha partecipato a questo studio. In generale, questo lavoro precedente prevedeva che i ricercatori potevano vedere l'effetto tra oggetti separati solo da pochi nanometri (miliardesimi di metro) o meno, spiega. A distanze così ridotte, interazioni elettriche o altri fenomeni su nanoscala tra oggetti potrebbero facilmente oscurare questo effetto fononico, dice Pendry, rendendolo molto difficile da testare.

Per far fronte a questa sfida, Zhang e i suoi colleghi hanno trascorso quattro anni di scrupolosi tentativi ed errori nella realizzazione e nel perfezionamento di esperimenti per vedere se potevano raggiungere il trasferimento di calore fononico su grandi distanze nel vuoto, su una scala di centinaia di nanometri. Ad esempio, gli esperimenti hanno coinvolto due membrane di nitruro di silicio, ciascuna spessa circa 100 nanometri. La natura straordinariamente sottile e leggera di questi fogli rende più facile vedere quando l'energia di uno ha un effetto sui movimenti dell'altro. Gli atomi vibranti nei fogli fanno flettere ogni membrana avanti e indietro a frequenze che dipendono dalla loro temperatura.

Se i fogli avessero entrambi le stesse dimensioni ma temperature disparate, il team di Zhang si rese conto che avrebbero tremato a frequenze diverse. Con tutti questi dettagli in mente, gli scienziati hanno adattato le dimensioni delle membrane in modo che, sebbene iniziassero a temperature diverse (rispettivamente 13,85 e 39,35 gradi Celsius), entrambi hanno vibrato circa 191.600 volte al secondo. Due oggetti che risuonano alla stessa frequenza tendono a scambiare energia in modo efficiente: un noto esempio di risonanza può essere visto quando un cantante d'opera colpisce la nota giusta per far risuonare e frantumare un bicchiere di champagne.

Inoltre, i ricercatori si sono assicurati che le membrane fossero entro pochi nanometri perfettamente parallele tra loro, il tutto per aiutare a misurare con precisione le forze che uno potrebbe esercitare sull'altro. Hanno anche fatto in modo che le membrane fossero estremamente lisce, con variazioni di superficie non superiori a 1,5 nanometri. Bloccato a una superficie in una camera a vuoto, una membrana sarebbe accoppiata a un riscaldatore, mentre l'altra sarebbe collegata a un dispositivo di raffreddamento. Entrambi sarebbero stati ricoperti da uno strato d'oro sottile come un gossamer per riflettività e immersi in deboli raggi laser per rilevare le loro oscillazioni e quindi la loro temperatura. In prova dopo prova, gli scienziati hanno verificato che le membrane non scambiassero calore attraverso la superficie su cui erano fissate o attraverso qualsiasi emissione di luce visibile o altra radiazione elettromagnetica attraverso il vuoto.

"Questo esperimento ha richiesto un controllo molto sensibile di temperatura, distanza e allineamento", afferma Zhang. "Una volta abbiamo avuto problemi nell'esecuzione dell'esperimento in estate a causa del caldo che riscalda il laboratorio. Inoltre, la misurazione stessa richiede molto tempo per eliminare il rumore: ogni punto dati ha impiegato quattro ore per ottenere. ”

Alla fine, Zhang e i suoi colleghi hanno scoperto che quando le membrane sono state separate a meno di 600 nanometri, hanno iniziato a mostrare variazioni inspiegabili della temperatura. Al di sotto di 400 nanometri, il tasso di scambio termico era sufficiente affinché le membrane avessero una temperatura quasi identica, dimostrando l'efficienza dell'effetto (o la sua mancanza). Con risultati positivi alla mano, i ricercatori sono stati in grado di calcolare il tasso massimo di energia che hanno visto trasferito dai fononi attraverso il vuoto: circa 6,5 ​​× 10-21 joule al secondo. A quel ritmo, occorrerebbero circa 50 secondi per trasferire la quantità di energia in un fotone di luce visibile. Quella figura può sembrare irrisoria, ma Zhang nota che costituisce ancora "un nuovo meccanismo di come il calore viene trasferito tra gli oggetti".

"È bello vedere alcuni dati sperimentali che confermano che i fononi possono colmare il divario", afferma Pendry. "Questo è un grande esperimento, un primo, credo."

In linea di principio, le stelle possono persino riscaldare i loro pianeti attraverso questo nuovo meccanismo. Date le distanze coinvolte, tuttavia, l'entità di questo effetto sarebbe "estremamente piccola", essenzialmente al punto di assoluta insignificanza, dice Zhang.

Più vicini a casa, poiché l'elettronica in tutto, dagli smartphone ai laptop diventa sempre più piccola, questi risultati potrebbero consentire agli ingegneri di gestire meglio il calore nelle tecnologie su scala nanometrica. "Ad esempio, nei dischi rigidi, la testina di lettura / scrittura magnetica si sposta sopra la superficie del disco con una separazione di appena tre nanometri", afferma Zhang. "A così breve distanza, il nuovo effetto di trasferimento di calore dovrebbe svolgere un ruolo significativo e quindi dovrebbe essere considerato nella progettazione di dispositivi di registrazione magnetica".

Zhang nota che le fluttuazioni quantistiche non includono solo i fotoni virtuali. Esistono molti altri tipi di particelle virtuali, inclusi gravitoni virtuali o pacchetti di energia gravitazionale. "Se le fluttuazioni quantistiche dei campi gravitazionali potrebbero dare origine a un meccanismo di trasferimento del calore che svolge un ruolo sulle scale cosmologiche è una domanda aperta interessante", afferma Zhang.