熱い表面に触れると、動きを感じます。マグカップに手をかざすと、指にぬくもりが広がります。それが、何十億もの原子がぶつかる感覚です。小さな振動は、水からマグカップに熱エネルギーを運び、次に1つの分子が次の分子にノックインするときに皮膚に浸透し、3番目の分子にケアニングを送信します。
熱はまた、放射線の波として空間を横切ることができますが、放射線がなければ、それは通過するものを必要とします-分子が他の分子にぶつかるために。真空には「もの」がないため、熱を閉じ込める傾向があります。たとえば地球の軌道では、工学上の最大の課題の1つは、ロケット船を冷却する方法を理解することです。
しかし今、研究者たちは、微視的なスケールでは、これは実際には真実ではないことを示しています。ジャーナルNatureで12月11日に発行された新しい論文で、物理学者は熱の小さな振動が何百ナノメートルの空のスペースを横切ることができることを示しました。彼らの実験は量子真空のすさまじい特徴を利用した：それは全く空ではない。
「2つのオブジェクトが、たとえば数百ナノメートルの空きスペースを越えて互いに「対話」できることを示しました」と、この研究の共同執筆者であるHao-Kun Li氏は述べています。 Liはスタンフォード大学の物理学者で、カリフォルニア大学バークレー校の博士課程在籍中にこの研究に取り組みました。
数百ナノメートルは人間の言葉で非常に小さなスペースです-数千分の1ミリメートル、または典型的なウイルスより少し大きいです。しかし、少なくとも熱伝達の単純なモデルによれば、それは熱が通過するにはギャップが大きすぎます。
2011年に、研究者たちは量子真空自体が熱の分子振動を運ぶことができるかもしれないと推測し始めました。 Applied Physics Letters誌に掲載された論文は、量子物理学では、真空はエネルギーの渦巻く場所と理解されていると指摘しています。物質とエネルギーのランダムな変動は、一般に人々が想像できるよりはるかに小さいスケールで、出現して消滅します。
これらの変動は無秩序で予測不可能です。しかし、それらは飛び石のように振る舞い、ギャップを横切って熱の波を（フォノンと呼ばれる量子励起の形で）運ぶことができます。たとえば、数インチの広いギャップを横切るように設定されているフォノンである場合、正しい順序で発生する正しい変動の可能性は非常に低いため、努力は無意味です。
しかし、規模を縮小すると、研究者たちはそれを示し、確率は向上した。約5ナノメートルでは、この奇妙な量子石けりは、空の空間を横切って熱を伝達する主要な方法になります。以前はエネルギーが真空を横切る唯一の方法であると考えられていた電磁放射よりも優れています。
それでも、それらの研究者たちは、その効果は最大で約10ナノメートルのスケールでのみ有意であると予測しました。しかし、10ナノメートルのスケールで何かを見ることは困難です。
「実験を設計したとき、これは簡単に実行できないことに気づきました」とLiはLive Scienceに語った。
効果が発生したとしても、空間スケールは非常に小さいため、決定的に測定する方法はありません。真空を通過する熱の最初の直接観察を行うために、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者は、実験をどのようにスケールアップするかを考え出しました。
「私たちは非常に柔らかい機械的膜を使用する実験を設計しました」、それはそれらが非常に伸縮性がある、または伸縮性があることを意味します、とリーは言いました。
堅いスチールのギター弦を弾くと、結果として生じる振動は、同じ強度のより弾性のあるナイロンギターの弦を弾く場合に見られる振動よりもはるかに小さくなると説明しました。実験のナノスケールでも同じことが起こりました。これらの超弾性膜により、研究者は、本来なら見ることができなかった小さな熱振動を見ることができました。これらの膜から慎重に光を反射させることにより、研究者たちはまだ細かいギャップを横切る熱のフォノンを観察することができました。
将来的には、Li氏は、この作業は、通常のコンピューターを構築する人たちにも、量子コンピューターの設計者にも役立つかもしれないと語った。
Li氏によると、マイクロチップをより良くより高速に製造する上での重要な問題は、小さなスペースにクラスター化された回路から熱を分散させる方法を見つけることです。
「私たちの発見は、実際には、真空を設計してコンピューターチップやナノスケールデバイスから熱を放散できることを意味します」と彼は言った。
真空を適切な材料で適切に成形して調整すると、将来的には、既存のどの媒体よりもチップから熱を取り除く効果が高まると彼は述べた。
研究者が採用した手法は、フォノン（振動自体）をさまざまな膜に絡ませるのにも使用できます。これは、量子物理学者がすでに空間で分離されている光子または光粒子をリンクするのと同じ方法で、フォノンを量子レベルでリンクします。リンクすると、フォノンを使用して量子情報を格納および転送し、仮想量子コンピューターの「機械的キュービット」として機能させることができます。そして、いったん冷却すると、フォノンは従来のキュービットよりも長期間のデータストレージでさらに効率が良くなるはずだと述べました。
