科學家發現新的納米級傳熱方式,聲子通過量子漲落實現真空傳熱

2020-12-03 茶馬星球視野

科學家發現一種以前未知的納米級傳熱方式,它可能對於創建更快,更時尚,內存更多的電子產品具有重要意義。這個消息可能令人驚喜,熱傳遞是讓我們電的子設備工作的過程,如何控制傳熱過程是製造運行速度更快,更複雜設備的瓶頸。

智慧型手機,計算機和其他電子設備等技術的進步徹底改變了當今世界,改變了我們社會的運轉、交流和生活方式。也只有在科學進步的前提下,才能使我們社會的進步和智能設備的普及成為可能。

能成為許多技術進步的源頭的矽谷,它的名字中包含化學元素矽,這絕非是種巧合,矽用於製造電子器件的晶片的材料。這種材料之所以被廣泛使用,是因為其化學性質,它是一種半導體或允許電流通過熱應用的材料。

納米級傳熱的最新發現對於開發更複雜的設備具有重要意義,在我們了能夠理解該發現背後的科學之前,讓我們深入研究一下熱傳遞的基本原理。

關於自然的美麗之處在於它具有許多複雜性,而熱傳遞過程恰好是其中之一。它發生在微觀層面,量子力學在其中發揮作用。熱是由於晶格中原子的振動而傳遞的,其運動釋放出波。正如我們從量子力學中了解到的那樣,這些波也會在粒子中傳播,在加熱的情況下,這些粒子稱為聲子。隨著晶格中原子運動的增加,產生的波或聲子的數量也會增加。

乍一看,它似乎非常簡單和線性:振動越多,能量就越多。雖然這是事實,但有一點要注意,就是當不同的原子振動時,它們會在相互連接的晶格中相互推動,由於大量變化的振動而產生不同的能量。它會變得更加複雜,因為由于振動釋放的每個波都可以疊加在另一個波上,從而產生具有不同能量的新波或新聲子。因此傳熱的特徵在於混亂並且難以控制。

然而散熱和傳遞對於半導體至關重要,因為它允許電流流動並為我們的電子設備供電。因此有效地控制傳熱過程並更多地了解聲子是促進電子領域發展的方法之一。

加熱過程非常複雜,而聲子被認為只能通過介質或與物體接觸而傳遞熱量,而不能在真空或空腔中傳遞熱量。但是最近發表在自然雜誌上的實驗表明,實際上聲子可以在真空中傳遞熱量。

這種現象源於量子力學事實,即真空空間畢竟不是空的,而是充滿了不斷被創造或被破壞的粒子。這被稱為量子漲落,它是由量子力學的核心部分引起的,指出在給定時間粒子的確切位置和動量是未知的。因此作為結果,在空間內外存在進出振動的虛擬粒子。

由於這種現象,科學家發現了卡西米爾效應,即兩個中性原子相互施加的力被真空隔開,真空是由真空空間中虛擬粒子的振動引起的。儘管從理論上講它可以應用於聲子,實際上直到最近加州大學伯克利分校的研究人員才通過實驗觀察到這種現象,卡西米爾效應在此起到了啟發作用。該研究實驗證明,在納米級尺度的聲子中,可因量子漲落而傳遞熱量。

現在的局面就好像熱傳遞過程還不足夠混亂,又增加了一個新的謎題,讓科學家對傳熱機理有了另一種認識。這個發現的意義在於,它將使科學家對傳熱的基本機理有了全新的理解,從而為我們提供了一條控制傳熱的不同途徑,這將有助於使我們創造出更快,更高效的計算機晶片以及相應的設備。

它也闡明了了自然界中的內在原理,這項研究清楚地表明了這一點:看似無關痛癢的小事件往往是更大事件和發現背後的潛在驅動力。

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