熱能可在真空中傳導!港大校長張翔教授研究團隊最新成果登上《自然》雜志

真空基礎 記者 吳吉 通訊員 董 讀創/深圳商報

  熱在真空環境下很難被傳遞,這是經典物理學中的一個基本概念,是高中物理課本里學到的知識。但香港大學校長張翔教授帶領的加州大學伯克利分?蒲袌F隊的最新研究顯示,熱能可以跨越幾百納米的完全真空空間。這一成果,不僅是對經典物理學的顛覆,更將對計算器芯片和其他在設計上以散熱為關鍵考慮的納米級電子組件產生深遠的影響,對于高速計算器和大數據存儲的發展也非常重要。這項極具開創性的研究結果日前在《自然》雜志發表。

熱能可在真空中傳導

真正意義的“真空”并不存在

  人們喜歡使用真空絕緣的保溫瓶盛載茶或咖啡,因為我們知道這些容器是很好的絕緣體,能夠保持飲品的溫度。經典物理學告訴我們,熱導能難以穿越真空,帶熱的原子或分子,如果周圍沒有其他原子或分子,根本無法把熱能的振動傳導開去。但是,張翔教授在加州大學伯克利分校擔任機械工程教授時,帶領科研團隊進行了一項“顛覆性”的研究。研究結果顯示,量子力學讓經典物理學的這一個基本概念發生了動搖。由于一種稱為卡西米爾效應的量子力學現象,熱能可以跨越幾百納米的完全真空空間。“熱能在固體中傳導通常是透過原子或分子,或所謂的聲子的振動,但真空的空間沒有物理介質,因此教科書多年來都告訴我們,聲子不能在真空中傳播”,張翔教授表示,“令人驚訝的是,我們發現聲子確實可以透過看不見的量子漲落在真空中傳導。”實驗中,張翔教授的團隊在一個真空密室,把兩片鍍金氮化硅膜,分開放置于相距數百納米的距離。兩個膜中間沒有任何連接,之間幾乎沒有光穿透,但當加熱其中一個膜時,另一個的溫度也變熱。加州大學伯克利分校博士后研究員、研究的共同第一作者King Yan Fong說:“在一個真空環境中,分子振動可以在空間中傳導,這看似不可能的情況竟然發生了,因為根據量子力學,沒有一樣東西叫真正的真空。即使有真空空間 —— 沒有光、沒有物質 ——量子力學也說它不可能是完全真空,當中仍然存在一些量子場的波動。這些波動會產生一種力,把兩個物體連接在一起,這就是卡西米爾效應。因此當一件物體受熱并開始搖擺和振蕩時,由于這些量子漲落,這些搖擺和振蕩實際上可以通過真空傳遞給另一個物體。”

熱能可在真空中傳導

傳輸一小步,應用一大步

  理論學者一直揣測,卡西米爾效應能幫助分子振動在真空中游走,但要透過實驗去證明卻非常艱難。研究團隊用了5年時間在一個完全無塵的干凈房間中制造出極薄的氮化硅膜,并設計了一種精確控制和監測其溫度的方法,作出適當調控然后取得實驗成果。團隊發現,經仔細選擇膜的尺寸和設計,可以在真空中將熱能傳導數百納米。雖然連1毫米都不到,但這已足以對計算器芯片和其他在設計上以散熱為關鍵考慮的納米級電子組件,產生深遠的影響,更不用說顛覆了大部分人中學時學到的傳熱理論。研究人員從此可以開拓發展透過調控量子真空,散走集成電路中的熱量。張教授團隊的前博士生、研究的共同第一作者Hao-Kun Li說︰“我們發現的這種新的傳熱機制,為納米級的熱能應用開創了前所未有的機遇,對于高速計算器和大數據存儲的發展非常重要,F在我們可以透過調控量子真空,散走集成電路中的熱量。”

熱能可在真空中傳導

聲音也可能在“真空”中傳播

  張翔教授是美國國家工程院院士、中國科學院外籍院士。他說,由于分子振動也是我們聽到聲音的基礎,這一發現也預示了聲音也可能可以通過真空傳播。“25年前,當我在柏克萊進行博士生資格考試時,一位教授問我:‘為什么隔著桌子你仍能聽到我的聲音?’我回答說是因為聲音是通過分子在空氣中振動傳播。他追問:‘如果我們將這個房間中所有空氣分子都抽走,你還能聽到我說話嗎?’我說不能,因為沒有振動的介質。今天我們發現了一種由量子真空漲落所形成,不需要介質的新真空傳熱模式,結果令人驚訝。所以我在1994年的考試是答錯了,其實透過真空,你可以大叫而別人能夠聽到。”張翔教授表示,這一研究成果有望為更多的科研發現打開“大門”。