真空竟能熱傳導(dǎo)，甚至能傳播聲音！華人團(tuán)隊(duì)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(bào)道 | 公眾號(hào) 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(shí)驗(yàn)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(cè)。

真空也會(huì)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(cè)，在真空中的兩塊中性的金屬板會(huì)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(gè)原子直徑時(shí)，真空施加的壓力將會(huì)達(dá)到1個(gè)大氣壓。

十年后，他的預(yù)言得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為何真空會(huì)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(gè)物體的位置和速度不可能同時(shí)測(cè)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(duì)于電磁波也是一樣，量子場論指出，即使一個(gè)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(dòng)。

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(dòng)。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(dòng)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(gè)非常平滑的金屬板相互靠近時(shí)，金屬板之間因量子漲落產(chǎn)生的電磁波會(huì)受到限制，只有一些特殊的波會(huì)存在，它們?cè)诮饘侔灞砻嫣幍恼穹仨殲?。

而在金屬板外，電磁波不會(huì)受到這樣的限制，因此外部存在的電磁波模式會(huì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(cè)到。直到納米技術(shù)的發(fā)展才讓觀測(cè)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(huì)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(gè)不接觸的物體之間傳遞熱量。

真空熱傳導(dǎo)

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

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

因此，聲子就這樣穿過真空，傳輸?shù)搅说诙€(gè)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(shí)，熱量也會(huì)同時(shí)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(gè)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(huì)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(shí)，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(cè)，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(shí)驗(yàn)精確測(cè)量了這種傳熱模式。

張翔團(tuán)隊(duì)和花費(fèi)了四年的時(shí)間，才完成了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)對(duì)溫度、距離和對(duì)齊方式的要求非?？量獭Ｑ谉岬奶鞖鈺?huì)使實(shí)驗(yàn)室升溫，在夏季無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，測(cè)量本身要花費(fèi)很長時(shí)間才能消除噪聲，測(cè)量每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都需要花費(fèi)四個(gè)小時(shí)。

真的可以

要證明真空中能實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)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(dòng)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(cè)量膜表面的分子熱運(yùn)動(dòng)。

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(duì)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?yàn)槟蓚?cè)出現(xiàn)了溫度差。在這個(gè)過程中，熱輻射發(fā)出的熱量相比熱傳導(dǎo)，可以忽略不計(jì)。

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(gè)相互作用的膜之間的傳熱量成正比。

研究人員測(cè)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(cè)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(jì)值。

至于溫度是怎樣測(cè)定的，團(tuán)隊(duì)依靠聲子模式 (Phonon Modes) 的熱布朗運(yùn)動(dòng)，來量化它們的溫度變化。

熱布朗運(yùn)動(dòng)的測(cè)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(shí)，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(jì)算出，大約需要50秒時(shí)間，才能將能量轉(zhuǎn)移到一個(gè)可見光子中。這個(gè)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(duì)于這項(xiàng)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(jí)熱管理開創(chuàng)了前所未有的機(jī)會(huì)，這對(duì)于高速計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)非常重要。

現(xiàn)在，我們可以設(shè)計(jì)量子真空來提取集成電路中的熱量了。

也就是說，對(duì)于受散熱問題制約的計(jì)算機(jī)芯片及其他納米級(jí)電子元件的設(shè)計(jì)工作而言，這一新的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)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(jì)納米尺度下中的散熱。我們的硬盤就可能用到這項(xiàng)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(duì)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的設(shè)計(jì)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(gè)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(huì)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

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

這是一個(gè)很棒的實(shí)驗(yàn)。這下，那些因?yàn)榻o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(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)中的氮化硅膜那樣靠得非常近（0.0004毫米）。

華人團(tuán)隊(duì)

這篇Nature論文的研究團(tuán)隊(duì)，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(jiǎng)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?，F(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(shí)驗(yàn)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(jí)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)。現(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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