新发现：热传递的第四种方式

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新发现：热传递的第四种方式

From: 小雨
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从中学的物理课堂上，我们了解到热量的传递途径可分为三种：热传导、热对流和热辐射。热传导指的是不同材料通过直接的接触而进行的热量传递；热对流则多指由气体或液体的运动引起的热量传递。这两种情况都不会在真空中发生。但辐射——通过电磁波传递热——则可以在真空中发生，就像太阳辐射出的能量能温暖地球一样。

然而，一项新的研究通过实验首次证明了一种能使热量穿过真空的全新机制。在12月12日的《自然》杂志上，完成了这一实验的物理学家发表论文称：声子可以穿过真空间隙，在量子涨落的影响下，让被真空隔开的物体之间产生热传递。尽管这种效应只在非常短的距离内表现明显，但却是对更早的相关理论预言的一次确凿验证。

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声子和光子分别是声波和电磁波的能量载体，通过这些能量载体，声波和电磁波就可以通过在物体之间传递热量。在室温或接近室温的状态下，被介质隔开的物体在声子作用下的传热会比在光子作用下要快得多；然而当物体被真空间隔隔开时，我们通常认为声子便无法再进行热量传递了。因为从本质上看，声子是原子晶格的振动，没有介质也就没有这种振动。

通常情况下，真空能阻隔多数类型的热量传递，但是量子力学却能让热量在量子涨落的作用下穿过真空。简单来说，量子涨落是一种即使在真空中也会发生的粒子和场的扰动，这种涨落是量子力学中海森堡不确定性原理的自然结果。根据不确定性原理，我们无法同时绝对精确地测量一对物理量（比如粒子的位置和速度）。

量子涨落的存在会对周围物质产生微妙的影响，从而导致一些能被观察到的效应——与新研究有关的卡西米尔效应就是其中之一：两个被真空间隙隔开的中性原子对彼此施加的力就是卡米西尔力，当量子涨落在这些原子中引起电荷密度波动时，卡西米尔力就产生了；接着，电荷密度会通过它们的电场产生相互作用。

                               
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○ 量子涨落能使热能在真空的情况下传播。在实验中，研究小组将两个相距几百纳米的镀金氮化硅薄膜置于真空室中。当他们加热其中一层膜时，另一层也会升温，尽管两层膜之间没有任何连接，且通过它们之间的光能可以忽略不计。| 图片来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY

那么卡西米尔效应是如何让被真空隔开的物体产生声子传输的呢？我们可以设想这样一个场景，有一个与固定热源保持接触的物体，它的温度被恒定地维持在一个特定值上。这个物体的原子之间的热扰动会产生声子，这些声子的存在会使物体的表面产生时变的起伏。

这时，当我们将另一个温度更低的物体靠近原本的物体时，另一个物体就会受到第一个物体对它施加的卡西米尔力。因此，第二个物体的表面会受到拖曳，然后在它的内部也产生声子，这样一来，声子就从第一个物体传播到了第二个物体。

由于声子是载热体，因此当它们穿过真空空隙从一个物体传到另一个物体时，就会在卡西米尔效应的作用下引发热传递。过去已经有理论模型对这种由卡西米尔效应促成的热传递现象作出过预测，而新的研究则通过实验，直接对这种热传递模式进行了测量。

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在实验中，研究人员使用了两层由镀金的氮化硅制成的薄膜，其直径大约为300微米。研究人员将一层膜冷却，另一层膜加热，被加热的那层膜与一个维持恒定温度的热源相接触，两层膜之间的温差为25℃左右。他们利用一种名为光学干涉测量法的技术，来观测原子在膜的表面的热扰动（即布朗运动）。

                               
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○ 在实验中，两层膜（位于中间的铜板上）被置于一个真空室中，它们的温度和位置被精确控制。| 图片来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY

他们先根据过去的热传递理论模型，估算出当真空间隔的大小不同时，两层膜之间传递的热量为多少。他们发现，测量的结果与理论预测精准相符。也就是说，这项实验为证明卡西米尔效应是可以引起热传递的提供了决定性证据。

然而，两个物体之间通过这种方法产生的热量传输是非常受限的，因为卡西米尔力的强度会随着物体之间的真空间隙的增大而迅速减弱。只有当两个物体之间的距离为纳米级时，它们之间的卡西米尔效应才强大到能产生与其他传热模式相比拟的热传递效果。

不过，研究人员找到了一种能放大卡西米尔传热模式的方法，他们对薄膜进行了精心设计，通过对它们的尺寸和温度进行控制，使它们能以最大可能的位移发生振动。如此一来，即使两层薄膜之间的真空间隔有数百个纳米大，也能显著地产生这种传热效应。

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新发现的这种传热模式对于提高纳米级器件的性能具有重大意义，例如在硬盘驱动器中，写头与存储盘之间的距离就只有几纳米。散热一直是纳米技术中的一个大问题，很多电子设备中的微型电路的性能，都受到设备散热速度的限制。如果这种传热模式可以在通过精心设计之后而被放大，那么将会给纳米技术带来一次不可估量的质的飞跃。然而在那一天到来之前，研究人员还将面临许多挑战。

封面图来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY

参考来源：https://doi.org/10.1038%2Fs41586-019-1800-4https://www.nature.com/articles/d41586-019-03729-4https://www.sciencenews.org/article/quantum-jitter-lets-heat-travel-across-vacuum