繼傳導、對流、輻射之後,科學家發現熱能的第 4 種傳遞方式:量子波動

研究團隊的實驗裝置。圖片來源:Berkeley News

教科書教我們,熱的傳遞方式有三種:傳導、對流、輻射。傳導和對流需要介質,無法在真空傳遞熱量;而輻射是電磁波,可以在真空中傳送能量,是恆星傳遞能量給其他星球的主要方式。

近期,加州大學柏克萊校區的物理學家們,研究一種透過「量子波動」(quantum fluctuations)傳遞熱能的全新方式。他們將論文發表在《Nature》期刊上。

論文 傳送門

熱能可以透過光子和聲子傳遞

熱能是物體內部微觀粒子不規則運動的巨觀統計表現,粒子運動愈快,物體的溫度也愈高。宇宙中有兩種粒子可以傳遞熱能:光子(Photon)、聲子(Phonon),它們都是玻色子。

透過光子傳播熱能的方式是「輻射」,它可以在真空中傳播,是宇宙星際間傳送能量的主要方式。透過聲子傳播的方式有「傳導」、「對流」兩種。粒子震動會激發聲子,當兩個物體接觸,聲子就可以透過傳導傳遞對量;在流體中,還可以透過對流,加速熱量的傳遞。

根據古典力學的觀點,聲子只能在物質之間傳遞熱量,無法在真空環境中傳播。但隨著量子力學發展,科學家開始猜測,聲子或許也可以在真空中傳熱。根據量子力學,我們無法同時確定粒子在某個時間點的動量與位置;也就是說,真空不是完全空的,而是有「量子波動」(quantum fluctuations),也就是「虛粒子」(virtual particles)會不斷在真空中出現與消失。

虛粒子可以傳遞力量,是否也可以傳遞熱能?

科學家在幾十年前發現卡西米爾效應(Casimir effect),它指的是,真空中的物體會透過虛粒子產生交互作用力。物理學家開始思考,虛粒子可以傳遞力量,它們是否也可以傳遞熱能?

根據物理學家的模型,在真空中有兩個分開放置且溫度不同的物體,物體可以透過聲子,將熱量傳遞給真空中的虛粒子,而虛粒子再將熱量傳給另一個物體。

這種熱量傳遞方式引發物理界的爭辯,除了它實際是否可行之外,傳熱效率也是物理學家的爭論點。不同理論物理學家算出來的數字有很大差異。而且這種傳熱方式必須在奈米尺度下才觀測得到,在這種距離下,靜電與其它作用會產生干擾,因此很難觀測聲子在真空中的傳熱效果。

加州大學設計實驗,成功量測傳熱效率

因此,加州大學柏克萊校區的研究團隊展開聲子在真空中傳熱的效率量測實驗。他們使用兩片厚度只有 100 奈米的氮化矽薄膜,由於薄膜的厚度很薄,質量很小,因此研究團隊可以清楚觀察到薄膜之間的能量傳遞效應。

薄膜的原子震盪會導致薄膜震動。研究團隊發現,如果兩片薄膜的尺寸相同,但溫度不同,他們震動的頻率就會不同。研究團隊打造兩片不同尺寸的薄膜,讓它們分別在攝氏 13.85 度和 39.35 度的溫度下,都能以每秒 191,600 次的頻率震動。

經過一連串的實驗,研究團隊發現,當兩張薄膜的距離低於 600 奈米時,它們的溫度會產生變化,而且無法使用傳導、輻射等模型解釋;當距離低於 400 奈米,熱交換的速度提升,薄膜的溫度也發生明顯變化。研究團隊觀測聲子在真空中傳遞能量的最高效率:每秒 6.5 x 10^-21 焦耳。用這個速度算,如果聲子在真空中傳遞能量,需要 50 秒才能傳遞一個可見光光子的能量。雖然效率比輻射低,但它可是科學家新發現的熱能傳遞機制。

電子設備微型化,量子波動傳熱效應的影響也會增加

主導實驗的物理學家張翔(Xiang Zhang)表示,理論上恆星也可以藉由量子波動,透過聲子將能量傳遞給其他星球;但由於星際之間的距離相當龐大,因此相較於輻射,透過聲子傳遞的能量小到可以忽略。

但隨著電子設備的微小化,這種熱傳遞效應也會隨之增強,因此該研究可以幫助工程師了解微型電子設備的發熱與熱傳問題。以半導體為例,現在先進製程已在 7 奈米以下,是量子傳熱會有影響的距離,加州大學研究團隊的發現,可提供晶片設計、製造廠新的洞見,或許可以解決過去難以解決的瓶頸,提升半導體的性能與製造效率。

參考資料來源:
1.《Nature》:〈Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations
2.《UC Berkeley》:〈Heat energy leaps through empty space, thanks to quantum weirdness
3.《Scientific American》:〈Space Heater: Scientists Find New Way to Transfer Energy Through a Vacuum
4.《環球科學》:〈 真空声子传热:改写教科书的第 4 种热传递方式被发现了
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Berkeley News

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