热能可在真空中传导!港大校长张翔教授研究团队最新成果登上《自然》杂志

真空基础 记者 吴吉 通讯员 董 读创/深圳商报

  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,是高中物理课本里学到的知识。但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。

热能可在真空中传导

真正意义的“真空”并不存在

  人们喜欢使用真空绝缘的保温瓶盛载茶或咖啡,因为我们知道这些容器是很好的绝缘体,能够保持饮品的温度。经典物理学告诉我们,热导能难以穿越真空,带热的原子或分子,如果周围没有其他原子或分子,根本无法把热能的振动传导开去。但是,张翔教授在加州大学伯克利分校担任机械工程教授时,带领科研团队进行了一项“颠覆性”的研究。研究结果显示,量子力学让经典物理学的这一个基本概念发生了动摇。由于一种称为卡西米尔效应的量子力学现象,热能可以跨越几百纳米的完全真空空间。“热能在固体中传导通常是透过原子或分子,或所谓的声子的振动,但真空的空间没有物理介质,因此教科书多年来都告诉我们,声子不能在真空中传播”,张翔教授表示,“令人惊讶的是,我们发现声子确实可以透过看不见的量子涨落在真空中传导。”实验中,张翔教授的团队在一个真空密室,把两片镀金氮化硅膜,分开放置于相距数百纳米的距离。两个膜中间没有任何连接,之间几乎没有光穿透,但当加热其中一个膜时,另一个的温度也变热。加州大学伯克利分校博士后研究员、研究的共同第一作者King Yan Fong说:“在一个真空环境中,分子振动可以在空间中传导,这看似不可能的情况竟然发生了,因为根据量子力学,没有一样东西叫真正的真空。即使有真空空间 —— 没有光、没有物质 ——量子力学也说它不可能是完全真空,当中仍然存在一些量子场的波动。这些波动会产生一种力,把两个物体连接在一起,这就是卡西米尔效应。因此当一件物体受热并开始摇摆和振荡时,由于这些量子涨落,这些摇摆和振荡实际上可以通过真空传递给另一个物体。”

热能可在真空中传导

传输一小步,应用一大步

  理论学者一直揣测,卡西米尔效应能帮助分子振动在真空中游走,但要透过实验去证明却非常艰难。研究团队用了5年时间在一个完全无尘的干净房间中制造出极薄的氮化硅膜,并设计了一种精确控制和监测其温度的方法,作出适当调控然后取得实验成果。团队发现,经仔细选择膜的尺寸和设计,可以在真空中将热能传导数百纳米。虽然连1毫米都不到,但这已足以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,更不用说颠覆了大部分人中学时学到的传热理论。研究人员从此可以开拓发展透过调控量子真空,散走集成电路中的热量。张教授团队的前博士生、研究的共同第一作者Hao-Kun Li说︰“我们发现的这种新的传热机制,为纳米级的热能应用开创了前所未有的机遇,对于高速计算器和大数据存储的发展非常重要。现在我们可以透过调控量子真空,散走集成电路中的热量。”

热能可在真空中传导

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”。