新發現：熱傳遞的第四種方式
熱輻射是什麼
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從中學的物理課堂上，我們瞭解到
熱量
的傳遞途徑可分為三種：
熱傳導
、
熱對流
和
熱輻射
。熱傳導指的是不同材料透過直接的接觸而進行的熱量傳遞；熱對流則多指由氣體或液體的運動引起的熱量傳遞。這兩種情況都不會在真空中發生。但輻射——透過電磁波傳遞熱——則可以在真空中發生，就像太陽輻射出的能量能溫暖地球一樣。
然而，一項新的研究透過實驗首次證明了一種能使熱量穿過真空的全新機制。在12月12日的《自然》雜誌上，完成了這一實驗的物理學家發表論文稱：
聲子可以穿過真空間隙，在量子漲落的影響下，讓被真空隔開的物體之間產生熱傳遞
。儘管這種效應只在非常短的距離內表現明顯，但卻是對更早的相關理論預言的一次確鑿驗證。
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聲子
和
光子
分別是
聲波
和
電磁波
的能量載體，透過這些能量載體，聲波和電磁波就可以透過在物體之間傳遞熱量。在室溫或接近室溫的狀態下，被介質隔開的物體在聲子作用下的傳熱會比在光子作用下要快得多；然而當物體被真空間隔隔開時，我們通常認為聲子便無法再進行熱量傳遞了。因為從本質上看，
聲子是原子晶格的振動
，沒有介質也就沒有這種振動。
通常情況下，真空能阻隔多數型別的熱量傳遞，但是量子力學卻能讓熱量在量子漲落的作用下穿過真空。簡單來說，量子漲落是一種即使在真空中也會發生的粒子和場的擾動，這種漲落是量子力學中
海森堡不確定性原理
的自然結果。根據不確定性原理，我們無法同時絕對精確地測量一對物理量（比如粒子的位置和速度）。
量子漲落的存在會對周圍物質產生微妙的影響，從而導致一些能被觀察到的效應——與新研究有關的
卡西米爾效應
就是其中之一：兩個被真空間隙隔開的中性原子對彼此施加的力就是卡米西爾力，當量子漲落在這些原子中引起電荷密度波動時，卡西米爾力就產生了；接著，電荷密度會透過它們的電場產生相互作用。
那麼卡西米爾效應是如何讓被真空隔開的物體產生聲子傳輸的呢？我們可以設想這樣一個場景，有一個與固定熱源保持接觸的物體，它的溫度被恆定地維持在一個特定值上。這個物體的原子之間的
熱擾動
會產生聲子，這些聲子的存在會使物體的表面產生時變的起伏。
這時，當我們將另一個溫度更低的物體靠近原本的物體時，另一個物體就會受到第一個物體對它施加的卡西米爾力。因此，第二個物體的表面會受到拖曳，然後在它的內部也產生聲子，這樣一來，聲子就從第一個物體傳播到了第二個物體。
由於聲子是載熱體，因此當它們穿過真空空隙從一個物體傳到另一個物體時，就會在卡西米爾效應的作用下引發熱傳遞。過去已經有理論模型對這種由卡西米爾效應促成的熱傳遞現象作出過預測，而新的研究則透過實驗，直接對這種熱傳遞模式進行了測量。
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在實驗中，研究人員使用了兩層由鍍金的氮化矽製成的薄膜，其直徑大約為300微米。研究人員將一層膜冷卻，另一層膜加熱，被加熱的那層膜與一個維持恆定溫度的熱源相接觸，兩層膜之間的溫差為25℃左右。他們利用一種名為
光學干涉測量法
的技術，來觀測原子在膜的表面的熱擾動（即布朗運動）。
他們先根據過去的熱傳遞理論模型，估算出當真空間隔的大小不同時，兩層膜之間傳遞的熱量為多少。他們發現，測量的結果與理論預測精準相符。也就是說，這項實驗為證明卡西米爾效應是可以引起熱傳遞的提供了決定性證據。
然而，兩個物體之間透過這種方法產生的熱量傳輸是非常受限的，因為卡西米爾力的強度會隨著物體之間的真空間隙的增大而迅速減弱。只有當兩個物體之間的距離為奈米級時，它們之間的卡西米爾效應才強大到能產生與其他傳熱模式相比擬的熱傳遞效果。
不過，研究人員找到了一種能放大卡西米爾傳熱模式的方法，他們對薄膜進行了精心設計，透過對它們的尺寸和溫度進行控制，使它們能以最大可能的位移發生振動。如此一來，即使兩層薄膜之間的真空間隔有數百個奈米大，也能顯著地產生這種傳熱效應。
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新發現的這種傳熱模式對於提高奈米級器件的效能具有重大意義，例如在硬碟驅動器中，寫頭與儲存盤之間的距離就只有幾奈米。散熱一直是奈米技術中的一個大問題，很多電子裝置中的微型電路的效能，都受到裝置散熱速度的限制。如果這種傳熱模式可以在透過精心設計之後而被放大，那麼將會給奈米技術帶來一次不可估量的質的飛躍。然而在那一天到來之前，研究人員還將面臨許多挑戰。
封面圖來源：XIANG ZHANG/UNIV。 OF CALIFORNIA， BERKELEY
參考來源：
https：//doi。org/10。1038%2Fs41586-019-1800-4
https：//www。nature。com/articles/d41586-019-03729-4
https：//www。sciencenews。org/article/quantum-jitter-lets-heat-travel-across-vacuum
