Dans une nouvelle étude, Université de Californie, Berkeley, les chercheurs montrent que l'énergie thermique peut voyager dans un vide complet grâce à des fluctuations quantiques invisibles. Dans l'expérience, l'équipe a placé deux membranes de nitrure de silicium recouvertes d'or à quelques centaines de nanomètres l'une de l'autre à l'intérieur d'une chambre à vide. Lorsqu'ils ont chauffé l'une des membranes, l'autre s'est réchauffé, trop, même s'il n'y avait rien reliant les deux membranes et une énergie lumineuse négligeable passant entre elles. Crédit :Zhang Lab, UC Berkeley
Si vous utilisez un thermos isolé sous vide pour garder votre café chaud, vous savez peut-être que c'est un bon isolant car l'énergie thermique a du mal à se déplacer dans l'espace vide. Vibrations d'atomes ou de molécules, qui transportent de l'énergie thermique, ne peut tout simplement pas voyager s'il n'y a pas d'atomes ou de molécules autour.
Mais une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, montre comment l'étrangeté de la mécanique quantique peut bouleverser même ce principe de base de la physique classique.
L'étude, paru cette semaine dans le journal La nature , montre que l'énergie thermique peut sauter à travers quelques centaines de nanomètres d'un vide complet, grâce à un phénomène de mécanique quantique appelé interaction de Casimir.
Bien que cette interaction ne soit significative qu'à des échelles de longueur très courtes, cela pourrait avoir des implications profondes pour la conception de puces informatiques et d'autres composants électroniques à l'échelle nanométrique où la dissipation thermique est essentielle. Cela bouleverse également ce que beaucoup d'entre nous ont appris sur le transfert de chaleur en physique au lycée.
"La chaleur est généralement conduite dans un solide par les vibrations d'atomes ou de molécules, ou ce qu'on appelle des phonons, mais dans le vide, il n'y a pas de support physique. Donc, pendant de nombreuses années, les manuels scolaires nous ont dit que les phonons ne peuvent pas voyager dans le vide, " a déclaré Xiang Zhang, le professeur de génie mécanique à l'UC Berkeley qui a guidé l'étude. "Ce que nous avons découvert, étonnamment, est que les phonons peuvent en effet être transférés à travers le vide par des fluctuations quantiques invisibles."
Dans une nouvelle étude, Université de Californie, Berkeley, les chercheurs montrent que l'énergie thermique peut voyager dans un vide complet grâce à des fluctuations quantiques invisibles. Pour mener l'expérience difficile, l'équipe a conçu des membranes en nitrure de silicium extrêmement minces, qu'ils ont fabriqué dans une salle blanche sans poussière, puis utilisé des composants optiques et électroniques pour contrôler et surveiller avec précision la température des membranes lorsqu'elles étaient enfermées dans une chambre à vide. Crédit :Violet Carter, UC Berkeley
Dans l'expérience, L'équipe de Zhang a placé deux membranes en nitrure de silicium recouvertes d'or à quelques centaines de nanomètres l'une de l'autre à l'intérieur d'une chambre à vide. Lorsqu'ils ont chauffé l'une des membranes, l'autre s'est réchauffé, aussi, même s'il n'y avait rien reliant les deux membranes et une énergie lumineuse négligeable passant entre elles.
"Cette découverte d'un nouveau mécanisme de transfert de chaleur ouvre des opportunités sans précédent pour la gestion thermique à l'échelle nanométrique, ce qui est important pour le calcul et le stockage de données à grande vitesse, " dit Hao-Kun Li, un ancien Ph.D. étudiant dans le groupe de Zhang et co-premier auteur de l'étude. "Maintenant, nous pouvons concevoir le vide quantique pour extraire la chaleur dans les circuits intégrés."
Rien de tel qu'un espace vide
L'exploit apparemment impossible de déplacer des vibrations moléculaires dans le vide peut être accompli parce que, selon la mécanique quantique, il n'y a pas d'espace vraiment vide, dit le roi Yan Fong, un chercheur postdoctoral à l'UC Berkeley et l'autre premier auteur de l'étude.
"Même si vous avez un espace vide, peu importe, pas de lumière - la mécanique quantique dit qu'il ne peut pas être vraiment vide. Il y a encore quelques fluctuations de champ quantique dans le vide, " dit Fong. " Ces fluctuations donnent lieu à une force qui relie deux objets, qui s'appelle l'interaction de Casimir. Donc, lorsqu'un objet se réchauffe et commence à trembler et à osciller, ce mouvement peut en fait être transmis à l'autre objet à travers le vide à cause de ces fluctuations quantiques."
Dans une nouvelle étude surprenante, Université de Californie, Berkeley, les chercheurs montrent que l'énergie thermique peut voyager dans un vide complet grâce à des fluctuations quantiques invisibles. Crédit :Violet Carter, UC Berkeley
Bien que les théoriciens aient longtemps spéculé que l'interaction de Casimir pourrait aider les vibrations moléculaires à voyager dans l'espace vide, le prouver expérimentalement a été un défi majeur. Faire cela, l'équipe a conçu des membranes en nitrure de silicium extrêmement minces, qu'ils ont fabriqué dans une salle blanche sans poussière, puis conçu un moyen de contrôler et de surveiller avec précision leur température.
Ils ont trouvé que, en sélectionnant soigneusement la taille et la conception des membranes, ils pourraient transférer l'énergie thermique sur quelques centaines de nanomètres de vide. Cette distance était suffisamment éloignée pour que les autres modes possibles de transfert de chaleur soient négligeables, tels que l'énergie transportée par le rayonnement électromagnétique, c'est ainsi que l'énergie du soleil chauffe la Terre.
Parce que les vibrations moléculaires sont aussi à la base des sons que nous entendons, cette découverte laisse entendre que les sons peuvent également voyager dans le vide, dit Zhang.
« Il y a vingt-cinq ans, pendant mon doctorat. examen de qualification à Berkeley, un professeur m'a demandé « Pourquoi entendez-vous ma voix à travers cette table ? » j'ai répondu ça, « C'est parce que votre son voyage en faisant vibrer des molécules dans l'air. » Il a en outre demandé, « Et si on aspirait toutes les molécules d'air de cette pièce ? Pouvez-vous encore m'entendre ? J'ai dit, 'Non, car il n'y a pas de milieu pour vibrer, ' », a déclaré Zhang. « Aujourd'hui, ce que nous avons découvert est un nouveau mode surprenant de conduction thermique à travers un vide sans milieu, ce qui est obtenu par les fluctuations intrigantes du vide quantique. Donc, Je me suis trompé à mon examen de 1994. Maintenant, vous pouvez crier à travers le vide."
