Uno studio innovativo condotto da ricercatori della National University of Singapore (NUS) ha rivelato un metodo per utilizzare le teorie delle onde della meccanica quantistica per "bloccare" il calore in una posizione fissa.

ordinariamente, una fonte di calore si diffonde attraverso un materiale conduttivo fino a dissiparsi, ma il Professore Associato Cheng-Wei Qiu del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Facoltà di Ingegneria NUS e il suo team hanno utilizzato il principio della simmetria anti-parity-time (APT) per dimostrare che è possibile confinare il calore a un piccolo regione di un anello metallico senza che si diffonda nel tempo.

Nel futuro, questo fenomeno appena dimostrato potrebbe essere utilizzato per controllare la diffusione del calore in modi sofisticati e ottimizzare l'efficacia nei sistemi che necessitano di raffreddamento. I risultati dello studio sono stati pubblicati il ​​12 aprile 2019 sulla rivista Scienza .

Congelare la diffusione del calore

"Immagina una goccia d'inchiostro in un ruscello che scorre. Dopo un breve periodo di tempo vedresti l'inchiostro diffondersi e fluire nella direzione della corrente. Ora immagina se quella goccia d'inchiostro rimanesse delle stesse dimensioni e nella stessa posizione dell'acqua scorreva intorno ad esso. In effetti questo è ciò che abbiamo realizzato con la diffusione del calore nel nostro esperimento, " ha spiegato Assoc Prof Qiu.

La configurazione sperimentale di questo studio è costituita da due anelli metallici che ruotano in senso opposto, racchiusi tra loro con un sottile strato di grasso. Il movimento rotatorio degli anelli agisce come il flusso del ruscello nello scenario. Quando il calore viene iniettato in un punto del sistema, l'energia termica è in grado di rimanere in posizione perché un anello rotante è accoppiato all'anello controrotante per i principi della simmetria APT.

Le condizioni di questo esperimento sono abbastanza precise perché abbia successo. "Dalla teoria della meccanica quantistica, puoi calcolare la velocità necessaria per gli anelli. Troppo lento o troppo veloce, e spezzerai la condizione, " ha detto Assoc Prof Qiu. Quando le condizioni sono rotte, il sistema agisce in modo convenzionale, e il calore viene portato avanti mentre l'anello ruota.

In controtendenza

L'applicazione dei principi della simmetria APT ai sistemi che coinvolgono il calore è un completo allontanamento dall'attuale scuola di pensiero in questo settore. "È drasticamente diverso dai temi di ricerca attualmente popolari. In questo campo, molti gruppi stanno lavorando su configurazioni di simmetria parity-time (PT), e quasi di loro stanno esaminando la meccanica delle onde. Questa è la prima volta che qualcuno esce dal dominio delle onde, e dimostrato che la simmetria APT è applicabile a sistemi basati sulla diffusione come il calore, " ha dichiarato Assoc Prof Qiu.

Questa dimostrazione di un'area fissa di calore all'interno del metallo in movimento sembra controintuitiva, come ammette Assoc Prof Qiu, "Prima di questo studio, la gente pensava davvero che questa fosse un'area proibita, ma possiamo spiegare tutto. Non viola nessuna legge della fisica." In realtà, il motivo per cui Assoc Prof Qiu e il suo team sono stati in grado di controllare il calore è stato l'introduzione di un ulteriore grado di libertà nella loro ingegnosa configurazione sperimentale:la rotazione degli anelli

"Affinché la simmetria APT diventi significativa in un sistema, ci deve essere qualche elemento di perdita e guadagno all'interno della configurazione e devono essere bilanciati. In un tradizionale sistema di diffusione termica, La simmetria APT non è consequenziale perché non c'è guadagno o perdita di grado di libertà. Quindi, la rotazione meccanica è il giocatore chiave qui, " Lui ha spiegato.

Potenziali applicazioni e prossimi passi

Molte moderne tecnologie richiedono la rimozione efficiente del calore. Configurazioni meccaniche come motori, così come i componenti computazionali ed elettrici devono essere raffreddati in modo efficace. Attualmente, la maggior parte delle tecnologie viene raffreddata con un flusso costante di liquido per eliminare il calore per convezione.

"Questo esperimento mostra che dobbiamo prestare maggiore attenzione quando si determina la portata e la progettazione di questi sistemi, " Assoc Prof Qiu ha dichiarato. Mentre la sua configurazione sperimentale conteneva anelli di metallo controrotanti, lo stesso principio potrebbe essere applicato ad altri allestimenti in continuo mutamento. "La percezione è che la circolazione porti via il calore semplicemente, ma non è sempre necessariamente così semplice, " Ha aggiunto.

Prossimo, il team sta cercando di aumentare le dimensioni del loro esperimento. "Al momento il nostro assetto è nell'ordine dei centimetri, quindi vogliamo scalarlo fino alle dimensioni di motori o sistemi di ingranaggi reali. I sistemi di ingranaggi hanno spesso meccanismi controrotanti simili che generano calore, quindi desideriamo applicare la teoria per dissipare questo calore in modo più efficiente, Ha detto Assoc Prof Qiu.