Se utilizzi un thermos sottovuoto per mantenere caldo il caffè, potresti sapere che è un buon isolante perché l'energia termica ha difficoltà a muoversi attraverso lo spazio vuoto. Vibrazioni di atomi o molecole, che trasportano energia termica, semplicemente non può viaggiare se non ci sono atomi o molecole in giro.

Ma un nuovo studio dei ricercatori dell'Università della California, Berkeley, mostra come la stranezza della meccanica quantistica possa capovolgere anche questo principio fondamentale della fisica classica.

Lo studio, apparso questa settimana sul giornale Natura , mostra che l'energia termica può superare alcune centinaia di nanometri di vuoto completo, grazie a un fenomeno quantomeccanico chiamato interazione di Casimir.

Sebbene questa interazione sia significativa solo su scale di lunghezza molto brevi, potrebbe avere profonde implicazioni per la progettazione di chip per computer e altri componenti elettronici su scala nanometrica in cui la dissipazione del calore è fondamentale. Ribalta anche ciò che molti di noi hanno imparato sul trasferimento di calore nella fisica delle scuole superiori.

"Il calore viene solitamente condotto in un solido attraverso le vibrazioni di atomi o molecole, o cosiddetti fononi, ma nel vuoto, non esiste un supporto fisico. Così, per molti anni, i libri di testo ci dicevano che i fononi non possono viaggiare nel vuoto, " disse Xiang Zhang, il professore di ingegneria meccanica alla UC Berkeley che ha guidato lo studio. "Quello che abbiamo scoperto, sorprendentemente, è che i fononi possono effettivamente essere trasferiti attraverso un vuoto da fluttuazioni quantistiche invisibili."

Nell'esperimento, Il team di Zhang ha posizionato due membrane di nitruro di silicio rivestite d'oro a poche centinaia di nanometri l'una dall'altra all'interno di una camera a vuoto. Quando hanno riscaldato una delle membrane, l'altro si è riscaldato, anche, anche se non c'era nulla che collegasse le due membrane e un'energia luminosa trascurabile che passava tra loro.

"Questa scoperta di un nuovo meccanismo di trasferimento del calore apre opportunità senza precedenti per la gestione termica su scala nanometrica, che è importante per il calcolo ad alta velocità e l'archiviazione dei dati, " disse Hao-Kun Li, un ex dottorato di ricerca studente del gruppo di Zhang e co-primo autore dello studio. "Ora, possiamo progettare il vuoto quantistico per estrarre calore nei circuiti integrati".

Niente come lo spazio vuoto

L'impresa apparentemente impossibile di spostare le vibrazioni molecolari attraverso il vuoto può essere compiuta perché, secondo la meccanica quantistica, non esiste uno spazio veramente vuoto, disse il re Yan Fong, uno studioso postdottorato presso l'UC Berkeley e l'altro primo autore dello studio.

"Anche se hai spazio vuoto, non importa, nessuna luce:la meccanica quantistica dice che non può essere veramente vuoto. Ci sono ancora alcune fluttuazioni quantistiche di campo nel vuoto, " disse Fong. "Queste fluttuazioni danno origine a una forza che collega due oggetti, che prende il nome di interazione di Casimir. Così, quando un oggetto si surriscalda e inizia a tremare e oscillare, quel movimento può effettivamente essere trasmesso all'altro oggetto attraverso il vuoto a causa di queste fluttuazioni quantistiche".

Sebbene i teorici abbiano a lungo ipotizzato che l'interazione di Casimir potrebbe aiutare le vibrazioni molecolari a viaggiare attraverso lo spazio vuoto, dimostrarlo sperimentalmente è stata una grande sfida. Fare così, il team ha progettato membrane in nitruro di silicio estremamente sottili, che hanno fabbricato in una stanza pulita senza polvere, e poi ha ideato un modo per controllare e monitorare con precisione la loro temperatura.

Hanno scoperto che, selezionando accuratamente le dimensioni e il design delle membrane, potrebbero trasferire l'energia termica nell'arco di poche centinaia di nanometri di vuoto. Questa distanza era sufficientemente ampia da rendere trascurabili altre possibili modalità di trasferimento del calore, come l'energia trasportata dalla radiazione elettromagnetica, che è il modo in cui l'energia del sole riscalda la Terra.

Poiché le vibrazioni molecolari sono anche alla base dei suoni che ascoltiamo, questa scoperta suggerisce che i suoni possono anche viaggiare nel vuoto, ha detto Zhang.

"Venticinque anni fa, durante il mio dottorato esame di abilitazione a Berkeley, un professore mi ha chiesto 'Perché riesci a sentire la mia voce attraverso questo tavolo?' Ho risposto che, "È perché il tuo suono viaggia facendo vibrare le molecole nell'aria." Ha chiesto inoltre, 'E se succhiassimo tutte le molecole d'aria da questa stanza? Mi senti ancora?' Ho detto, 'No, perché non c'è un mezzo per vibrare, '" ha detto Zhang. "Oggi, quello che abbiamo scoperto è una nuova modalità sorprendente di conduzione del calore attraverso un vuoto senza mezzo, che si ottiene dalle intriganti fluttuazioni del vuoto quantistico. Così, Ho sbagliato l'esame del 1994. Ora, puoi gridare attraverso il vuoto."