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 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.
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.
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.