真空竟能熱傳導(dǎo)，甚至能傳播聲音！華人團(tuán)隊新研究突破認(rèn)知，登上Nature

魚羊 栗子 曉查 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

現(xiàn)在，聲音不能在真空中傳播的認(rèn)知，很可能要被打破了。

UC伯克利的華人科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，兩片金屬之間即使是真空，也可以傳導(dǎo)熱量和聲音。

他們用實驗證明了：熱量可以跨越幾百納米的完全真空，從一片金屬傳導(dǎo)到另一片金屬上。這一發(fā)現(xiàn)未來在可能在芯片散熱設(shè)計中發(fā)揮重要的作用。

眾所周知，熱傳導(dǎo)本質(zhì)是分子之間相互傳遞動能，而真空中沒有任何原子分子。所以人們一直認(rèn)為，真空中是不存在熱傳導(dǎo)的，傳遞熱量只能像太陽那樣熱輻射才行。

我們使用的保溫杯就是利用了這一原理，把夾層抽成真空，從而阻止了熱量的傳導(dǎo)。

但這一登上Nature的研究顛覆了古典物理學(xué)的基本原則。

論文通訊作者張翔教授還表示，由于分子振動也是聲音傳播的基礎(chǔ)，因此這一發(fā)現(xiàn)暗示了聲音也可以通過真空傳播。

對于真空能傳遞熱量和聲音這件事情，早在幾十年前就已經(jīng)做出預(yù)測。

真空也會產(chǎn)生壓力

1948年，一位名叫卡西米爾的荷蘭物理學(xué)家預(yù)測，在真空中的兩塊中性的金屬板會受到壓力的作用而相互靠近。

當(dāng)金屬板的距離縮小到10納米，也就是大約100個原子直徑時，真空施加的壓力將會達(dá)到1個大氣壓。

十年后，他的預(yù)言得到了實驗驗證。

為何真空會產(chǎn)生壓力呢？“真空”真的是空無一物嗎？量子力學(xué)不這么認(rèn)為。

量子力學(xué)認(rèn)為，一個物體的位置和速度不可能同時測準(zhǔn)，也就是說物體不可能完全靜止下來（否則速度精確為零）。這也就意味著，即使處在最低能量的狀態(tài)，能量也不可能為零。

對于電磁波也是一樣，量子場論指出，即使一個空間中沒有任何原子、沒有光，但其中仍然存在一些量子場的波動。

就好像有無數(shù)彈簧和小球充滿了我們所在的空間，而且在不停地振動。這種現(xiàn)象被物理學(xué)家叫做量子漲落。

一般情況下，這些振動產(chǎn)生的效應(yīng)是相互抵消的，但是當(dāng)空間中加入金屬板后，一切都變得不一樣了。

兩個非常平滑的金屬板相互靠近時，金屬板之間因量子漲落產(chǎn)生的電磁波會受到限制，只有一些特殊的波會存在，它們在金屬板表面處的振幅必須為0。

而在金屬板外，電磁波不會受到這樣的限制，因此外部存在的電磁波模式會多于內(nèi)部。

電磁波的照射，本質(zhì)上就是光子打在金屬板上，會產(chǎn)生壓力。

外面的電磁波模式更多，產(chǎn)生的壓力也更大，所以會產(chǎn)生一個總體向內(nèi)的壓力。

這一物理現(xiàn)象被稱為卡西米爾效應(yīng)，真空產(chǎn)生的力也被叫做卡西米爾力。

壁虎的腳能粘到墻上，就是卡西米爾力宏觀體現(xiàn)的一個例子。

但是這種力隨著距離的增加而迅速下降，只有在亞微米的距離上才能觀測到。直到納米技術(shù)的發(fā)展才讓觀測卡西米爾力成為可能。

除了宏觀可見的壓力，卡西米爾力也會附帶產(chǎn)生其他物理現(xiàn)象，比如不借助熱輻射，就是可以在兩個不接觸的物體之間傳遞熱量。

真空熱傳導(dǎo)

熱量，其實就是物體內(nèi)部原子振動，物理學(xué)家把這種原子的集體振動叫做聲子。聲子不是真實的粒子，只是描述原子振動模式的一種“準(zhǔn)粒子”。

在這些聲子的作用下，物體的表面會隨著時間而起伏。當(dāng)兩個物體相互靠近時，由于第一個物體表面的起伏，第二個物體因受到卡西米爾力的作用，也會同樣起伏。

因此，聲子就這樣穿過真空，傳輸?shù)搅说诙€物體上。

聲子是熱量的載體，當(dāng)卡西米爾力將聲子通過真空間隙傳遞時，熱量也會同時被傳遞過去。

真空漲落產(chǎn)生的電磁波（也就是光子）就像彈簧一樣把兩個物體連接起來。較熱物體中的聲子可以將熱能傳遞給光子，然后光子繼續(xù)將能量傳遞給較冷物體。

原則上，太陽產(chǎn)生的熱量也會通過這種方式傳遞給地球，但是日地距離太遠(yuǎn)了，主要的熱量還是通過太陽光來傳遞。

當(dāng)兩者距離很小時，卡西米爾效應(yīng)產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)將超過熱輻射，占據(jù)主導(dǎo)地位。

這種由卡西米爾力傳導(dǎo)熱量的現(xiàn)象，早在2011年就已經(jīng)被理論模型所預(yù)測，但是這種效應(yīng)太微弱了，很容易被其他現(xiàn)象掩蓋。

現(xiàn)在，加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們，通過實驗精確測量了這種傳熱模式。

張翔團(tuán)隊和花費了四年的時間，才完成了實驗的設(shè)計和測量。

實驗對溫度、距離和對齊方式的要求非?？量獭Ｑ谉岬奶鞖鈺箤嶒炇疑郎兀谙募緹o法進(jìn)行實驗。此外，測量本身要花費很長時間才能消除噪聲，測量每個數(shù)據(jù)點都需要花費四個小時。

真的可以

要證明真空中能實現(xiàn)熱傳導(dǎo)，團(tuán)隊在真空環(huán)境里放了兩片氮化硅膜，它們之間相距幾百納米。

兩片氮化硅膜的尺寸不一樣，一片是330×330微米，另一片是280×280微米，但厚度都是0.1微米。

為了產(chǎn)生卡西米爾效應(yīng)，科學(xué)家在每片氮化硅膜的兩面都鍍了金?(75納米) ，在真空中反射電磁波。

兩片薄膜之所以面積不一樣，是為了讓二者在不同的溫度下有相同的振動頻率，讓兩片薄膜達(dá)到共振，更高效地交換能量。

另外，兩側(cè)還要用激光干涉技術(shù)來測量膜表面的分子熱運動。

既然加了激光，就要避免熱光加熱 (Thermo-Optical Heating) 產(chǎn)生的影響，最大程度保證溫度的升高就是來自真空熱傳導(dǎo)。于是，團(tuán)隊用最低功率的激光，以20dB的信噪比解決了基本頻率下的熱機(jī)械噪音。

要證明熱傳導(dǎo)真的發(fā)生，只要加熱其中一片氮化硅膜，看另外一片有沒有被加熱。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，另一片氮化硅膜真的被加熱了，因為膜兩側(cè)出現(xiàn)了溫度差。在這個過程中，熱輻射發(fā)出的熱量相比熱傳導(dǎo)，可以忽略不計。

傳輸熱量的多少，就與兩側(cè)的溫度有關(guān)。根據(jù)熱傳導(dǎo)定律，溫度差與兩個相互作用的膜之間的傳熱量成正比。

研究人員測量了在不同距離真空間隙的條件下，膜之間傳遞的熱量。他們發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果準(zhǔn)確地符合了卡西米爾效應(yīng)傳熱的理論估計值。

至于溫度是怎樣測定的，團(tuán)隊依靠聲子模式 (Phonon Modes) 的熱布朗運動，來量化它們的溫度變化。

熱布朗運動的測量，可以與膜表面的原子溫度關(guān)聯(lián)起來，所以也可以用作為衡量溫度的工具。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜之間的距離小于600納米時，開始表現(xiàn)出其他現(xiàn)象無法解釋的溫度變化。在400納米以下，熱交換速率足以使兩片膜很快達(dá)到幾乎相同的溫度。

研究人員由此計算出，大約需要50秒時間，才能將能量轉(zhuǎn)移到一個可見光子中。這個數(shù)字看似微不足道，但張翔指出，它仍然構(gòu)成了“物體之間熱量傳遞的新機(jī)制”。

研究意義

對于這項研究突破，論文共同一作李昊坤表示：

新傳熱機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，為納米級熱管理開創(chuàng)了前所未有的機(jī)會，這對于高速計算和數(shù)據(jù)存儲非常重要。

現(xiàn)在，我們可以設(shè)計量子真空來提取集成電路中的熱量了。

也就是說，對于受散熱問題制約的計算機(jī)芯片及其他納米級電子元件的設(shè)計工作而言，這一新的發(fā)現(xiàn)可能會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

隨著電子設(shè)備尺寸變得越來越小，這一發(fā)現(xiàn)可能讓硬件工程師來設(shè)計納米尺度下中的散熱。我們的硬盤就可能用到這項技術(shù)，在機(jī)械硬盤中，讀寫磁頭到盤面的距離僅為3納米。

還有網(wǎng)友認(rèn)為，這樣效應(yīng)對微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的設(shè)計也有重要意義：

根據(jù)維基百科，在10nm的間隔中，卡西米爾效應(yīng)產(chǎn)生的壓力相當(dāng)于1個大氣壓。這是超微米尺度上的主要作用力。揭開這種力量的面紗將會幫助MEMS進(jìn)一步小型化。

還有網(wǎng)友補(bǔ)充說，想來通過光刻技術(shù)制造各種尺寸芯片所需的光頻率，與卡西米爾效應(yīng)中的截止頻率之間存在著對應(yīng)關(guān)系。

而對于論文作者提到的“暗示聲音也可以通過真空傳播”這一點，有網(wǎng)友說道：

這是一個很棒的實驗。這下，那些因為給太空飛船的引擎配上了音軌而被嘲笑的特效師們要平反了，哈哈哈

研究中另一個有趣的實驗，是利用真空將不同的導(dǎo)熱體分開。這或許可以造出小規(guī)模的熱泵。

不過也有網(wǎng)友指出，聲音的音量呈指數(shù)衰減，因此在真空中聽到聲音的前提條件是，得像本實驗中的氮化硅膜那樣靠得非常近（0.0004毫米）。

華人團(tuán)隊

這篇Nature論文的研究團(tuán)隊，是全華班陣容，來自UC伯克利張翔教授的研究小組。

論文有兩位共同一作。

一位是King Yan Fong，博士畢業(yè)于耶魯大學(xué)，現(xiàn)為UC伯克利的博士后研究員。

另一位是李昊坤，湖南衡陽人，2009年從湖南師大附中畢業(yè)，因獲全國中學(xué)生物理競賽一等獎而保送至北京大學(xué)。后于UC伯克利獲工程與應(yīng)用科學(xué)博士學(xué)位，2019年畢業(yè)。

論文通訊作者，是香港大學(xué)校長、中國科學(xué)院外籍院士、美國國家工程院院士張翔。

張翔教授生于江蘇南京，本碩畢業(yè)于南京大學(xué)，1996年獲UC伯克利機(jī)械工程系博士學(xué)位。現(xiàn)在，他也擔(dān)任著UC伯克利特聘教授兼NSF納米科學(xué)與工程中心（NSEC）主任，勞倫斯·伯克利國家實驗室主任等職務(wù)。

論文的其他幾位作者，分別是本科畢業(yè)于西安交通大學(xué)，后于北京師范大學(xué)獲博士學(xué)位的Rongkuo Zhao。2017年，他從UC伯克利博士后出站，現(xiàn)為光刻巨頭ASML高級產(chǎn)品工程師。

Sui Yang，博士畢業(yè)于UC伯克利，師從張翔教授。現(xiàn)為NSEC研究科學(xué)家。

Yuan Wang，本科畢業(yè)于南京大學(xué)，后于加州大學(xué)洛杉磯分校獲碩士學(xué)位，2009年從UC伯克利博士畢業(yè)?，F(xiàn)于NSEC工作。

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Nature論文：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4

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