华人科学家发现第四种传热方式!真空声子传热将改写物理教科书

来源:QQ快报
责任编辑:王亮
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早在上中学时,我们就知道传热一共有三种方式,热传导、热对流、热辐射。如今,这一教科书上的知识要被改写了。

近期,一篇发表在《自然》杂志上的论文让不少传热学、物理学、量子力学等领域的科学家们兴奋不已。美国加州大学伯克利分校教授、香港大学校长张翔带领的研究团队,首次通过实验证实了在纳米尺度下、发生在真空环境中的声子传热。这宣告着,经过几十年、几代科学家的不懈努力,人类终于成功发现并捕捉到了这种全新的传热方式。

图 | 现代电子设备消耗着大量的能量,科学家们一直希望可以找到更加高效的散热手段。(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

而且,这不仅是基础科学的突破,也将有望对现代集成电路、微加工、高精度显微镜、数据储存等诸多领域的发展产生深远的影响。

“训练一个人工智能模型的碳排放比五辆车还要多” “比特币挖矿造成的碳排放相当于拉斯维加斯全城的排放” “法兰克福的网络设备能耗比机场还高”……在数字化、信息化高速发展的今天,以大规模集成电路为代表的信息设备消耗着大量的能量,而这些能量中有一大部分都被用于散热和冷却。然而,面对信息技术领域的迅速发展,传热学,这个曾经催生了火车、汽车、飞机、火箭、发电厂的“古老”学科,却遇到了新的挑战:科学家们就发现,在电子器件常见的纳米尺度上,传热量有时可以比按照传统理论计算出来的高出一个数量级还多。

图 | 美国加州大学伯克利分校教授、香港大学校长张翔。(来源:Wikipedia)

这股“幽灵”一般多出来的热流,一直困扰着学界。

直到最近,在量子力学的帮助下,人类才终于理解并准确测量出了第四种传热方式——真空声子传热。

神秘的热流

热量会自发地从高温物体传到低温物体。传热学是日常生活中就能观察到的常识,也是现代工业,尤其是第一次工业革命的基石之一。正是由于传热学的发展,蒸汽机、内燃机等设备得以发明,发电厂、汽车、航空发动机等设备得以出现,现代工业社会的面貌得以奠基。

中学的时候我们就学到,传热一共有三种形式:

1. 热传导:热量以振动能的形式从一个分子传递给另一个分子,比如做饭的时候热量从锅底的下表面传递到上表面;

2. 热对流:流体的宏观运动、混合引起的热量传递,比如沸腾的水把热量传递给在里面翻滚的饺子;

3. 热辐射:热量通过电磁波的形式进行传递,比如太阳把温暖带给地球。

图 | 热传导——晶体中的声子传播会带来热量的传递。(来源:Wikipedia)

显而易见,不论是热传导还是热对流,它们的发生都离不开实打实的物质——也就是介质的参与。对于前者来说,热量只能在物体内部、或者紧密贴合的物体之间传递;而对于后者来说,要想传热必须有流体分子的存在。

因此,如果两个物体彼此分离,中间又只有真空的话,那么在它们之间能够发生的唯一的传热方式就是热辐射。毕竟,真空里面什么都没有,想把热量传递出去,只能通过不依赖介质就可以传播的电磁波。科学家们也很早就精确计算出了热辐射可以传递的热量,用以指导包括锅炉、暖气、航天器在内的很多设备的生产制造。

然而,上世纪 60 年代,科学家们在实验中却发现了一件神奇的事情。当处于真空中的两个物体间隔距离非常近、近到 1 微米甚至更小的时候,它们之间的传热量,可以比按照热辐射计算出来的热流要高得多,甚至可以高出超过一个数量级。

随着一项又一项的实验证明了这个现象,科学家们开始意识到,搞不好,除了热传导、热对流和热辐射,还存在着第四种传热方式,而且这种传热方式可以在真空中进行。

这第四种传热方式,如果存在的话,究竟是什么呢?

第四种传热方式

“遇事不决,量子力学”。面对这种神秘的热量传递,量子力学还真给出了自己的解释。

对于绝大多数学科来说,真空就是真空,真空意味着这个空间里面一个粒子都没有。但是,对于量子力学来说,真空却一点都“不空”。

量子力学认为,真空中虽然没有任何的实粒子,却存在着所谓的“虚粒子”。这些虚粒子以正反粒子的形式成对出现——出现一个正的虚粒子,就会同时出现一个反的虚粒子,然后它们又会在极短的时间内湮灭。好比沸水中翻滚的泡泡,有的出现了,有的却在消失。真空也是如此,看上去什么都没有,但虚粒子却十分活跃地玩着出现又湮灭的游戏。

图 | 真空中的量子涨落,带来虚粒子的产生和湮灭。(来源:DEREK LEINWEBER)

这不是一个假说,而是实打实地在实验中观测到的结果。而虚粒子的不断产生和湮灭,还会产生力的作用。在真空中,如果把两个很薄很薄的平板放得很近很近,那么它们两个就会被虚粒子推向彼此、最后吸在一起,好像它们之间存在某种神奇的引力一样。而这种可以穿越真空的作用力,叫做卡西米尔效应(Casimir effect)。

既然卡西米尔力可以把两块板子推到一起,那么,它能不能像晶体里面的热传导一样,引起离得很近的两个物体内部分子的振动、从而隔着真空实现声子传热呢?

尽管听上去有些道理,但到底能不能发生真空声子传热、在多近的距离上可以发生、传热的量有多大,不同的科学家给出的估算有着很大的差异。各种计算之间唯一的共性,就是这种传热发生在纳米尺度上,但有的模型估算出来是几百纳米,有的却要小得多。

计算尚且如此困难,测量就更加困难了——在纳米尺度上,静电等其它相互作用非常强,会给传热的测量带来很大的干扰。没法准确测量,就没法用准确的物理和数学模型来描述真空声子传热。因此,只有用实验的方法发现真空声子传热,才能做实这第四种传热机制的存在。

精密的实验

张翔团队使用了一套十分精密的实验设备,测量出了发生在两个平行放置的纳米薄膜之间的微小传热。

图 | 精密的实验设备。(来源:UC Berkley)

这套设备的核心,是两片厚度只有 100 纳米的氮化硅薄膜。这个厚度差不多是一根头发丝直径的 1/500。为了提高测量卡西米尔力的准确度,他们把这两片薄膜在真空中平行放置,平行到薄膜之间的夹角不超过10-4rad。又把薄膜做到了非常光滑,表面的凹凸连 1.5 纳米都不到。

为了探测出薄膜的温度,他们在薄膜的表面覆盖了薄薄的一层金反射层,并使用了非常精密的光学仪器来探测薄膜的振动频率——这和温度息息相关。

实验装置设计完成后,每次测量还需要 4 个小时来进行调试,确保达到实验所需的温度等一系列苛刻的条件。

终于,经过反复的实验,研究人员看到了自己期待已久的结果:

图 | 实验原理:热端的温度一开始与冷端不同。随着距离的靠近,卡西米尔力会让两者的温度趋于一致。(来源:Fong et al., 2019)

当两个薄膜的距离还比较远的时候,在热源的作用下,它们各自的模式温度(Ti’)都和热源温度(Ti)是一致的;而当两个薄膜的距离越来越近的时候(小于几百纳米),卡西米尔力就会开始发挥作用,让两个薄膜的模式温度(Ti’)发生明显的变化。

在实验中,他们发现,尽管冷热两个热源的温度差高达 25 度,但随着距离 d 的缩短,真空声子传热却让两个薄膜最后的模式温度相差无几。也就是说,只要距离足够近,热量就可以穿越真空,从高温的薄膜传递到低温的薄膜。而这个过程中,热辐射所能引起的传热连 4% 都不到。因此,研究人员得出结论,决定性的传热机制就是真空声子传热。

他们还根据量子力学提出了计算真空声子传热的理论计算模型,结果发现与实验测量的数据非常吻合。

就这样,继热传导、热对流、热辐射之后,第四种传热方式横空出世。

深远的影响

尽管对于太阳光在宇宙中的传播、甚至热量在暖水瓶的真空保温层中传递来讲,真空声子传热的热流在宏观尺度上的大小可以忽略不计,但在微观尺度上,理解并掌握这种原理就显得非常重要了。

对于大规模集成电路来说,现在的芯片工艺已经从 14 纳米、7 纳米逐渐逼近摩尔定律的物理极限。如果可以在微观层面上设计出集成电路内部的散热系统,将有望大幅改进电子设备的热管理水平,进一步缩小器件体积的同时,显著降低能耗、减少碳排放。

对于硬盘这样的磁性存储设备来说,磁头和磁盘间的距离也只有几个纳米。如果可以设计出更好的散热方式,就可以提高数据存储的密度,进而提高设备的数据储存容量。这对于大数据等行业来说非常重要。

图 | 硬盘的磁头与磁盘。真空声子传热的发现对于一系列领域都将有着深远的影响。(来源:pixabay)

类似的,在同样为纳米尺度的高精度显微、光通信、精密加工等领域,更好的散热设计也将避免热扰动的影响,提高设备的精确度和紧凑性。

而在更加基础的科学研究领域,真空声子传热的发现将有助于我们进一步理解自然的奥妙。在最微观的层面,这项机理的发现把传热学从宏观尺度、微观尺度进一步带到了量子尺度;而在最宏观的层面,宇宙里的一些大尺度传热可能也和这种机理有关。

不论是实际应用还是科学研究,真空声子传热都将为我们开启全新的大门。

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参考

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12. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_fluctuation

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20.https://www.sciencealert.com/heat-energy-has-leapt-across-an-empty-vacuum-thanks-to-a-weird-quantum-effect

21.https://www.scientificamerican.com/article/space-heater-scientists-find-new-way-to-transfer-energy-through-a-vacuum/

22. https://www.sciencedaily.com/releases/2019/12/191211145600.htm

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