《Nature》颠覆性发现！第四种热传递方式找到了!

热在真空环境下很难被传递，这是经典物理学中的一个基本概念，在中学物理课上，我们学习了热量的3种传递方式：通过直接接触传递热量的热传导、通过液体或气体介质传热的热对流，以及由光子（电磁辐射的载体）传热的热辐射。其中，除了热辐射，前两种热传递方式都无法在真空中进行。现在，第4种热传递方式被发现了，而教科书也会改写。在量子物理学家看来，真空并不是一片真正的“虚空”，而是充满了量子涨落。

香港大学校长张翔教授带领的加州大学伯克利分校科研团队的最新研究显示，热能可以跨越几百纳米的完全真空空间。这一成果，不仅是对经典物理学的颠覆，更将对计算器芯片和其他在设计上以散热为关键考虑的纳米级电子组件产生深远的影响，对于高速计算器和大数据存储的发展也非常重要。这项极具开创性的研究结果日前在《自然》杂志发表。 

论文链接：

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

1948年，荷兰物理学家Hendrik Casimir（亨德里克·卡西米尔）基于量子力学提出 “凯西米尔效应”，预测即使在没有物质存在的真空里面，仍然能发生能量涨落。也就是说，即便是在真空中，电磁场的量子波动也会引起声子耦合，从而促进热传递。有鉴于此，现任香港大学校长张翔教授所带领的加州大学伯克利分校的研究团队对此进行了实验验证，证明了完全真空隔开的两个物体之间的量子波动可引起热传导，这是一种前所未有的热传递方式，也昭示着声音也可能在真空中传播。

张翔教授是美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士。他说，由于分子振动也是我们听到声音的基础，这一发现也预示了声音也可能可以通过真空传播。“25年前，当我在柏克莱进行博士生资格考试时，一位教授问我：‘为什么隔着桌子你仍能听到我的声音?’ 我回答说是因为声音是通过分子在空气中振动传播。他追问：‘如果我们将这个房间中所有空气分子都抽走，你还能听到我说话吗?’我说不能，因为没有振动的介质。今天我们发现了一种由量子真空涨落所形成，不需要介质的新真空传热模式，结果令人惊讶。所以我在1994年的考试是答错了，其实透过真空，你可以大叫而别人能够听到。”张翔教授表示，这一研究成果有望为更多的科研发现打开“大门”。   

研究者特地定制了两张膜的不同尺寸，使它们在不同的起始温度下（分别是13.85℃和39.35℃），都能以每秒191600次的频率振动。当两张膜共振时，能量就能迅速交换。另外，研究者确保了两张膜相互平行，误差不超过几纳米。同时，他们还保证膜非常光滑，表面的凹凸不超过1.5纳米。在实验中，两张膜被固定在了真空室的两侧，他们用加热器对其中一张膜加热，同时用制冷器给另一张降温。

为了探测振动频率，也就是温度的变化，两张膜的表面都覆盖了薄如蛛网的金反射层，并用微弱的激光对其照射。经历了多次实验后，研究团队确认，膜与真空室的接触面不存在热传导，并且两张膜之间也没有借助电磁波的热辐射发生。

实验装置图。（图片来源：张翔/加州大学伯克利分校）
 

最终，研究团队发现，当将两张膜的距离低于600纳米时，它们的温度就发生了变化，并且该变化无法用其他理论解释。当相距不足400纳米时，热交换的速率足够让膜的温度发生明显变化。

实验成功后，研究者计算出实验中声子传递能量的最高效率：约6.5×10^-21焦耳/秒。按这个速率计算，如果想要传递一个可见光光子的全部能量，则需要50秒。尽管这看起来微不足道，张翔认为这仍然是“热量在两个物体之间传递的新机制”。

实验装置图
 

这一现象足以证明，热能至少能在真空中传递数百纳米的距离，颠覆了经典的传热理论。这一发现揭示独特的量子效应将为量子热力学打开新的大门，并为纳米技术的热管理带来实际意义。虽然这项工作还存在热量传递距离的局限，但是对于纳米尺度的电子元器件的散热，尤其是芯片、手机和电脑等电子产品实现更小、更轻开辟了新的道路。