Casimirova interakce: Kvantové podivnosti protlačí teplo vakuem  
Vakuum je prázdné. Proto skrz něj nemohou procházet vibrace atomů a molekul, čili fonony tepla nebo zvuku. Vesmír je tichý. To dá rozum. Anebo ne? Když se do věci vloží kvantové fluktuace vakua, tak se nestačíme divit. Přenesou fonony vakuem až na vzdálenost pár set nanometrů.
Pohled do srdce experimentu. Kredit: Violet Carter / UC Berkeley.
Pohled do srdce experimentu. Kredit: Violet Carter / UC Berkeley.

Každodenní zkušenost ukazuje, že vakuum funguje jako slušný tepelný izolátor. Teplo má totiž problém se šířením skrz vakuum. Termální energii v prostředí přenášejí vibrace atomů anebo molekul. A když někde atomy či molekuly nejsou, tak teplo jaksi nemá co přenášet. Jak ale ukazuje nedávný výzkum fyziků americké University of California, Berkeley, podivnosti kvantového světa dovedou s každodenní zkušeností pořádně zatočit. Jejich výzkum publikoval časopis Nature.

 

Xiang Zhang. Kredit: UC Berkeley.
Xiang Zhang. Kredit: UC Berkeley.

Xiang Zhang a jeho tým názorně předvedli, že tepelná energie, navzdory veškerému selskému rozumu, může proskočit několika sty nanometry velmi prázdného vakua. Klíčem k tomuto zázraku je kvantově mechanický jev zvaný Casimirova interakce. Tento jev působí jen na velmi malé vzdálenosti. Přesto by ale mohl mít značné důsledky pro design vyvíjených počítačových čipů a dalších elektronických komponent nanometrových velikostí, pro které je důležité odvedení a zpracování odpadního tepla.

 

Experiment s teplem ve vakuu. Kredit: Violet Carter / UC Berkeley.
Experiment s teplem ve vakuu. Kredit: Violet Carter / UC Berkeley.

Jak říká Zhang, teplo obvykle přenášejí vibrace atomů a molekul v látce, čili fonony. Ve vakuu ale žádná látka v běžném smyslu není. Proto učebnice zavile tvrdí, že fonony nemohou procházet skrz vakuum. Zhangův tým ale dokázal, že to možné je. Podařilo se jim „protlačit“ fonony vakuem pomocí přízračných kvantových fluktuací.

 

Zhang a spol. ve svém experimentu umístili do vakuové komory dvě membrány z nitridu křemíku potažené vrstvou zlata tak, aby je dělila vzdálenost několika set nanometrů. Když jednu z těchto membrán zahřáli, tak se zahřála i ta druhá, ačkoliv nebyly nijak navzájem propojené. Vše nasvědčuje tomu, že jsou za to odpovědné fluktuace kvantového pole, díky nimž se mezi těsně sousedícími objekty, v tomto případě mezi membránami, vytváří Casimirova interakce.

Teplo ve vakuu. Kredit: Zhang Lab / UC Berkeley.
Teplo ve vakuu. Kredit: Zhang Lab / UC Berkeley.

Vědci již dříve předpovídali, že by Casimirova interakce mohla přenést vibrace, tedy fonony, skrz vakuum. Experimentální potvrzení tohoto jevu ale bylo nesmírně obtížné. Zhangův tým musel vyrobit extrémně tenké membrány v extrémně čistém prostředí. Pak také museli velmi precizně regulovat a monitorovat jejich teplotu. Nakonec zjistili, že Casimirova interakce přenáší fonony skrz vakuum na vzdálenost několika set nanometrů. Není to sice mnoho, ale zároveň je to dostatečně daleko na to, aby badatelé mohli do značné míry vyloučit vliv dalších možných faktorů, jako je například působení energie elektromagnetického záření.


Vzhledem k tomu, že fonony jsou zodpovědné i za přenos zvuku, tak tímto můžeme oficiálně zrušit pravidlo, že se zvuk nešíří ve vakuu. Když se do toho vloží kvantové fluktuace, tak vakuem projde i zvuk. Objevení tohoto mechanismu teď nabízí pozoruhodné příležitosti pro technologie zpracování tepla v elektronice. Takové technologie jsou velmi významné pro výkonné komponenty elektroniky i pro ukládání velkých objemů dat. Teď bude možné pro odvod tepla v elektronice na úrovni nanoměřítka využít kvantové vakuum.

Video:  Kuh Distinguished Lecture, Xiang Zhang

 

Literatura
Berkeley News 11. 12. 2019, Nature 576: 243–247.

Datum: 02.01.2020
Tisk článku

Život na hraně - Al-Khalili Jim, McFadden Johnjoe
 
 
cena původní: 449 Kč
cena: 359 Kč
Život na hraně
Al-Khalili Jim, McFadden Johnjoe
Související články:

Podle nového výzkumu má zvuk zápornou hmotnost     Autor: Stanislav Mihulka (14.08.2018)
Kvantová síla vakua může vylepšit slibné 2D materiály     Autor: Stanislav Mihulka (08.12.2018)
Kvazičástice v kvantových systémech mohou být prakticky nesmrtelné     Autor: Stanislav Mihulka (21.06.2019)
Fyzici naslouchají šeptání atomů kvantovým mikrofonem     Autor: Stanislav Mihulka (29.07.2019)



Diskuze:

Takže už stačí maličkost,

Karel Ralský,2020-01-04 18:55:36

Zkusit přenést pomocí fononů "dvoj štěrbinový" experiment a Nobelovka je nemine.Proto jsem zde na Oslu před lety psal aby si Americká družice letící ke Slunci vzala sebou "mikrofony".

Odpovědět

Pavel Pelc,2020-01-03 21:24:13

Chapu, ze se snazite psat vedeckypopularne, ale vety typu "A když někde atomy či molekuly nejsou, tak teplo jaksi nemá co přenášet." byste si meli odpustit, notabene, kdyz ke konci clanku prenos pomoci elmag vlneni zminujete.

Odpovědět


Re: omyl pane průvodčí

George Czmadia,2020-01-03 21:36:57

První vláček sice nevyjel terpve 13. srpna l.p. 2000, ale "těsně vedle přísně střežené observatoře" v Chilbotonu byl ten oblak páry vypouštěný k nám směřující lokomotivou viditelný zcela zřetelně a to napříč jak prostorem tak časem, jelikož jako odpověď to doputovalo až neuvěřitelně rychle. Ostatně jako zvolený způsob přenosu zpráv naznačen i docela vtipně, takže nechápu v čem je problém a tudíž nač ten agresivní obušek? Tak jako tak ten vlak už prostě nezastavíme.

Odpovědět


Re: Re: pane průvodčí

George Czmadia,2020-01-03 22:04:56

Pořádek musí a dobrá nálada opravdu být, takže i tolik nezbytnou nezbytnou poštovní známku k o rok a den příchozí zprávě také nezapoměli alespoň symbolicky poslat viz. 14. 8. 2001, takže prosím chápejte v jakém duchu by bylo lepší vesmírem cestovat i zde. Omlouvám se Vám za ne příliš technicky věrný popis, ale základní princip odesílání jakékoliv takto odesílané informace by Vám mohl prozatím postačit.

Odpovědět

věnec buřtů pro Mrazíka

George Czmadia,2020-01-03 21:05:55

Věnec vítěze nechť je Ti dán, avšak tak to míněno nebylo. Bavíme se tu "o dráze na kolejích", kdy se v tzv. nepořádných státech (pardon) viz. nejen součásná Francie o své Metro nestará tak jako např. Česko (taky pardon). Inu pořádek musí být, i kdyby se nestávkovalo. Tam kde nestávkuje, sice soupravy nevyjedou a nedojíždějí se, ale koleje na celé trase zůstávají stávka nestávka. Kvantový entaglement daný z bodu A do Bodu malé b kuličku sice neroztočí jiným směrem, ale předá jí zprávu, zda cosi v jiném bodě již vyjelo či nikoliv a to mnohem rychleji, než-li "rozhlas pro drátě"

Odpovědět

Mrazík

Jaromír Kalhota,2020-01-03 19:48:08

Tak toto vysvětluje těsné Mrazíkovo obíhání jedličky. "Už je ti teplo, děvenko?" :D

Odpovědět

palivové dřevo a lechtivé prsty

George Czmadia,2020-01-03 15:22:27

Už je Vám zjevně tepleji pane Vláček. Ano Frank už dorazil a jako vždy v pravý čas! Skoro jako bych cítil dech v sousední soupravě.

Odpovědět


Re: lechtivé prsty a světelné "koule"

George Czmadia,2020-01-03 15:47:30

...zprávy z tvarovaně polehlé řepky či obilí tu a tam pozorované podél trati přinášejí nejednu informaci o třetím zprostředkovateli tohoto nyní již o něco sdílnějšího sdělení
Kvantové podivnosti: Na rotující nanočástice působí Casimirova síla

Odpovědět

Sirenie zvuku zo slnka

Michal Kytka,2020-01-03 14:24:15

Kedze zvuk na svoje sirenie potrebuje medium cez ktore sa dokaze sirit, je mozne aby za urcitych podmienok povedzme pokial by zo slna vyletel prud plynu ktory by siahal zo slnka az k zemskej atmosfere zeby sa po nom siril zvuk zo slnka az ku nam? Narazam na to ze pred par rokmi sa sirili po nete videa ktore zachytavaju neznamy dunivy zvuk ktory ako keby prichadzal z vesmiru, ci je mozne aby sa takto nejaky zvuk cez vesmir dostal az ku nam.

Odpovědět


Re: Sirenie zvuku zo slnka

Jan Balaban,2020-01-03 20:35:48

Na počuteľný zvuk sa dá elektronicky premeniť akékoľvek kmitanie čohokoľvek. Napríklad aj vysielanie rádiových a TV vysielačov.

Odpovědět

...

Jan Balaban,2020-01-02 20:13:22

To mi odľahlo. Konečne si viem vysvetliť hukot v sci-fi filmoch keď okolo seba prehučia dve kozmické lode.

Odpovědět


Re: ...

Am Am,2020-01-02 20:55:17

Mi se zase pritizilo. Nevim, co mne to v lete venku tak hreje az pali.
Slunce to byt nemuze, protoze podle clanku se zareni ani fotony vakuem nesiri.
A to je mezi sluncem a zemi vzdalenost o chlup vetsi nez par set nanometru.

Odpovědět


Re: Re: ...

Pavel Hudecek,2020-01-02 21:27:23

V článku nepíšou o fotonech, částicích záření, ale o fononech, částicích zvuku:-)

Fotony prostě ignorují. Přenos tepla zářením je závislý na T^4 a dokud T^4 nevyhraje nad Boltzmanovou konstantou, což je hodně málo, tak tento způsob přenosu za moc nestojí. Proto termoska celkem dobře funguje.

Když budeme mít dvě rovnoběžné plochy blízko sebe (poměr plocha/vzdálenost bude hodně) přenos tepla zářením prakticky nezávisí na vzdálenosti. Oni zjistili, že když vzdálenost klesne na nano úroveň, přenos dramaticky vzroste. A asi pak spočítali, že to odpovídá působení přes Casimirův jev.

Odpovědět


Re: Re: Re: ...

Petr Petr,2020-01-03 08:16:19

Termoska, ve které je separace stěn řádově milimetr, snižuje tepelnou vodivost. Radiační přenos tepla je zmenšen postříbřením (odrazivost).

Podle článku
http://xlab.me.berkeley.edu/pdf/10.1038_s41586-019-1800-4.pdf
by Casimirův přenos fungoval jen na vzdálenost několika nm (jenom o řád více než je vzdálenost atomů v pevné látce). Oni udělali rezonanční přenost, kdy ty membrány pečlivě zparalelizovali a udělali z nich rezonátor a tak přenesli teplo i na několik set nm.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03729-4

Odpovědět


Re: Re: ...

Jan Balaban,2020-01-03 20:31:45

Klasický pokus, pri ktorom nie je počuť zvoniaci budík vo vákuu bude asi nejaká anomália, alebo filmári vtedy chýbali v škole.

Odpovědět


Re: Re: Re: ...

Jiri Naxera,2020-01-04 14:11:14

Spíš z klasického zvuk se nešíří ve vakuu je kvantové je ve vakuu exponenciálně(?) potlačen.

To samé jako klasicky se sama o sobě mince z mojí kapsy neobjeví ve Vaší, zatímco kvantově je to možné, ale pravděpodobnost klesá exponenciálně se vzdáleností kapes a hmotností mince.

Odpovědět

kvalita vákua

Martin Smatana,2020-01-02 18:40:04

Bola kvalita vákua dostatočná na to, aby výskumníci mohli vylúčiť prenos tepla nejakými zvyškovými atómami a molekulami, ktoré sa nepodarilo vychytať?

Odpovědět


Re: kvalita vákua

Roman Sobotka,2020-01-02 20:12:27

Neni to muj obor, ale evidentne si velmi veri, ze meri prenos pres kvantove fluktuace elektromagnetickeho pole. Viz abstrakt:

"The experimental observation agrees well with our theoretical calculations and is unambiguously distinguished from other effects such as near-field radiation and electrostatic interaction."

Technicke detaily vakua atd budou v supplementech, ale jde o placeny pristup.

Odpovědět

Vakuum

Tomáš Novák,2020-01-02 16:54:02

...nedělá živým bytostem příliš dobře. Ve vesmírném (téměř) vakuu bychom prý přežili asi 8 až 40 sekund, v závislosti na osobní fyzičce a zdravotním stavu...

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni
















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace