Tyhjiötä pidetään hyvänä eristeenä, koska lämpöenergialla on vaikea liikkua sen tilan läpi. Lämpöenergiaa sisältävien atomien tai molekyylien värähtely ei yksinkertaisesti pääse liikkumaan, jos niiden ympärillä ei ole atomeja tai molekyylejä. Berkeleyn yliopiston uusi tutkimus osoittaa, kuinka kvanttimekaniikan omituisuus voi kääntää tämänkin klassisen fysiikan perusajatuksen päälaelleen.
Tutkimus osoittaa, että lämmönjohtuminen voi tapahtua muutaman sadan nanometrisen tyhjiön läpi. Tämä perustuu kvanttimekaaniseen ilmiöön, joka on nimeltään Casimirin vuorovaikutus.
Vaikka tällä vuorovaikutuksella on merkitystä vain hyvin lyhyillä mittakaavoilla, sillä voi olla huomattavia vaikutuksia tietokonepiirien ja muiden nanomittakaavan komponenttien suunnitteluun. Näissä lämmön hajauttaminen on yksi keskeisiä kysymyksiä.
- Lämpö johdetaan yleensä kiinteässä aineessa atomien, molekyylien tai fononivärähtelyjen kautta. Tyhjössä ei ole fysikaalista väliainetta, joten vuosien ajan oppikirjat kertoivat meille, että fononit eivät voi kulkea tyhjiön läpi, kertoi tutkimusta ohjannut UC Berkeleyn konetekniikan professori Xiang Zhang.
Kokeissaan Xhangin tiimi kuitenkin yllättäen havaitsi, että fononit voivat todellakin siirtyä tyhjiön läpi näkymättömien kvanttivaihteluiden avulla. Kokeessa Zhangin ryhmä sijoitti kaksi kultapäällysteistä piinitridikalvoa muutaman sadan nanometrin päähän toisistaan tyhjiökammioon. Kun he lämmittivät yhtä kalvoista, myös toinen lämpeni, vaikka niitä ei yhistänyt mikään. Kalvojen välillä kulkeutui vain merkityksetön määrä valon säteilyenergiaa.
- Tämä uuden lämmönsiirtomekanismin löytäminen avaa ennennäkemättömät mahdollisuudet lämmönhallintaan nanomittakaavassa. Tämä voi vaikuttaa tulevaisuudessa sekä nopeaan laskentaan että tiedon tallentamiseen, sanoi tohtoritutkija Hao-Kun Li.
Vaikka teoreetikot ovat jo kauan pohtineet, josko Casimir-vuorovaikutus voisi auttaa molekyylin värähtelyjä kulkemaan tyhjän tilan läpi, sen osoittaminen kokeellisesti on ollut suuri haaste, jossa nyt sitten onnistuttiin.
Löytö fononien kulkuun kvanttiheilahtelujen kautta edustaa aikaisemmin tuntematonta lämmönsiirtomekanismia tavanomaisen johtavuuden, konvektion ja säteilyn lisäksi. Koska molekyylin värähtelyt ovat myös perustana kuulemillemme äänille, tämä löytö vihjaa, että myös äänet voivat kulkea tyhjiön kautta, Zhang toteaa yliopistonsa tieotteessa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 17.12.2019
