عندما تلمس سطحًا ساخنًا ، تشعر بالحركة. إذا ضغطت يدك على كوب من الشاي ، ينتشر الدفء من خلال أصابعك. هذا هو الإحساس بمليارات الذرات تضرب معًا. تحمل الاهتزازات الصغيرة طاقة حرارية من الماء إلى الكوب ثم إلى جلدك بينما يدق جزيء واحد في الآخر ، مما يجعله ينخفض إلى الثلث - وهكذا دواليك.
يمكن للحرارة أيضًا أن تعبر الفضاء كموجات من الإشعاع ، ولكن بدون إشعاع ، فإنها تحتاج إلى أشياء تمر عبرها - جزيئات لتندمج في جزيئات أخرى. لا تحتوي الفراغات على "مواد" بها ، لذا فهي تميل إلى حبس الحرارة. في مدار الأرض ، على سبيل المثال ، أحد أكبر التحديات الهندسية هو معرفة كيفية تهدئة سفينة الصواريخ.
لكن الآن ، أظهر الباحثون أن هذا ليس صحيحًا في المقاييس الميكروسكوبية. في بحث جديد نُشر في 11 ديسمبر في مجلة Nature ، أظهر الفيزيائيون أن القليل من اهتزازات الحرارة يمكن أن تعبر مئات النانومترات من الفضاء الفارغ. استغلت تجربتهم ميزة خارقة من الفراغ الكمي: إنها ليست فارغة على الإطلاق.
قال هاو كون لي ، مؤلف مشارك في الدراسة: "أظهرنا أن شيئين قادران على" التحدث "مع بعضهما البعض عبر مساحة فارغة ، على سبيل المثال ، مئات النانومتر". لي هو فيزيائي في جامعة ستانفورد عمل في هذا البحث عندما كان طالب دكتوراه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي.
مئات النانومتر هي مساحة متناهية الصغر من حيث الإنسان - بضعة آلاف من الألف من الملليمتر ، أو أكبر قليلاً من الفيروس النموذجي. ولكن لا تزال هناك فجوة كبيرة جدًا بحيث يتعذر على الحرارة تجاوزها ، على الأقل وفقًا للنماذج البسيطة لانتقال الحرارة.
في عام 2011 ، بدأ الباحثون في التكهن بأن الفراغ الكمومي نفسه قد يكون قادرًا على تحمل الاهتزازات الجزيئية للحرارة. أشارت ورقة نُشرت في مجلة Applied Physics Letters إلى أن الفراغ في الفيزياء الكمومية يُفهم على أنه مكان يتناثر بالطاقة. تظهر التقلبات العشوائية للمادة والطاقة ثم تختفي ، بشكل عام على نطاقات أصغر بكثير مما يتصور الناس.
هذه التقلبات فوضوية ولا يمكن التنبؤ بها. لكن يمكن أن تعمل مثل نقطة انطلاق لحمل موجة من الحرارة - على شكل إثارة كمومية تُعرف باسم الفونون - عبر فجوة. إذا كنت هاتفًا يستعد لعبور فجوة واسعة ، على سبيل المثال ، بضع بوصات ، فإن احتمالات التقلبات الصحيحة التي تحدث في الترتيب الصحيح لتوصيلك ستكون منخفضة للغاية لدرجة أن المسعى سيكون بلا جدوى.
لكن الباحثين أظهروا تقليص المقياس وتحسنت الاحتمالات. عند حوالي 5 نانومتر ، ستصبح هذه الحجلة الكمومية الغريبة الطريقة السائدة لنقل الحرارة عبر الفضاء الخالي - متجاوزة حتى الإشعاع الكهرومغناطيسي ، الذي كان يُعتقد سابقًا أنه السبيل الوحيد لعبور الطاقة من فراغ.
ومع ذلك ، توقع هؤلاء الباحثون أن التأثير سيكون مهمًا فقط حتى مقياس يبلغ حوالي 10 نانومتر. لكن رؤية أي شيء على مقياس 10 نانومتر أمر صعب.
وقال لي لـ Live Science: "عندما صممنا التجربة ، أدركنا أنه لا يمكن القيام بذلك بسهولة".
حتى إذا حدث التأثير ، فإن المقياس المكاني صغير جدًا بحيث لا توجد طريقة جيدة لقياسه بشكل قاطع. لإنتاج أول ملاحظة مباشرة للحرارة التي تعبر فراغًا ، اكتشف علماء الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي كيفية توسيع نطاق التجربة.
قال لي: "لقد صممنا تجربة تستخدم أغشية ميكانيكية ناعمة جدًا" ، مما يعني أنها مرنة جدًا أو مرنة.
وأوضح أنه إذا التقطت سلسلة جيتار فولاذية صلبة ، فستكون الاهتزازات الناتجة أصغر بكثير من تلك التي ستراها إذا كنت قد قطعت سلسلة غيتار نايلون أكثر مرونة بنفس القوة. حدث نفس الشيء على مقياس النانو في التجربة: سمحت هذه الأغشية فائقة المرونة للباحثين برؤية اهتزازات حرارية صغيرة لم تكن لتراها لولا ذلك. من خلال ارتداد الضوء عن تلك الأغشية بعناية ، تمكن الباحثون من ملاحظة فونونات الحرارة التي تعبر الفجوة التي لا تزال ضئيلة.
وقال لي إن هذا العمل قد يكون مفيدًا في المستقبل - سواء بالنسبة للأشخاص الذين يقومون ببناء أجهزة كمبيوتر عادية ولمصممي الكمبيوتر الكمومي.
وقال لي إن المشكلة الرئيسية في بناء شرائح دقيقة أفضل وأسرع هي اكتشاف كيفية توزيع الحرارة من الدوائر المتجمعة في مساحات صغيرة.
وقال "إن اكتشافنا يعني في الواقع أنه يمكنك هندسة الفراغ لتبديد الحرارة من رقائق الكمبيوتر أو أجهزة مقياس النانو".
إذا كنت ستقوم بضبط الفراغ عن طريق تشكيله بشكل صحيح بالمواد المناسبة ، فقد يصبح - في المستقبل البعيد - أكثر فاعلية في سحب الحرارة من الشريحة أكثر من أي وسيط موجود.
يمكن أيضًا استخدام التقنيات التي استخدمها الباحثون في تشابك الفونونات - الاهتزازات نفسها - عبر أغشية مختلفة. وهذا من شأنه أن يربط الفونونات على مستوى كم بنفس الطريقة التي يربط بها علماء الفيزياء الكمومية بالفعل الفوتونات ، أو جزيئات الضوء ، التي يتم فصلها في الفضاء. وبمجرد ربطها ، يمكن استخدام الفونونات لتخزين ونقل المعلومات الكمية ، لتعمل "كبتات ميكانيكية" لحاسوب كمومي افتراضي. وقال إنه بمجرد أن يبرد ، يجب أن تكون الفونونات أكثر كفاءة في تخزين البيانات على المدى الطويل من الكيوبتات التقليدية.
