真空热传导，连声音都能传达！华人ー新研究突破认知，上升Nature-量子位

声音在真空中无法传达的认识可能会崩溃

中国科学家们发现，即使两块金属之间是真空的，它们也能传递热量和声音。

他们通过实验证明，热量会跨越数百纳米的完全真空，从金属传到金属。这一发现将来可能会在芯片散热设计中发挥重要作用。

众所周知，热传导是分子间动能的传递，但真空中不存在原子分子。因此，人们一直认为真空中没有热传导，只能像太阳一样放射热量来传递热量。

我们使用的暖水瓶利用这个原理使三明治变成真空来阻止热流。

但是，在Nature中出现的这项研究推翻了古典物理学的基本原则。

论文交流者的张翔教授说，分子的振动也是声音传播的基础，这一发现暗示着声音也可以在真空中传播。

几十年前就预测到真空会传递热量和声音。

真空也有压力

1948年，一位名叫卡西米尔的荷兰物理学家预测，真空中的两块中性金属板会受到压力接近。

当金属板的距离达到10纳米，即1000个原子的直径时，真空的压力就会变成一个气压。

十年后，他的预言得到了实验验证。

真空为什么会产生压力呢。“真空”真的什么都没有吗。量子力学不这么认为

量子力学不能同时测量物体的位置和速度。也就是说，物体不能完全静止。也就是说，即使在最低能量的状态下，能量也不能为零。

关于电磁波也一样，在场的量子论中，即使不存在原子，不存在光，也会存在某种量子场的波动。

就像无数的弹簧和球充满了我们所处的空间，振动着。物理学家称之为量子摆动

通常，这种振动的效果会被抵消，但如果你在空间里放入金属板，一切都会不同。

当你拉近两块非常光滑的金属板时，金属板之间会限制量子摆动产生的电磁波，只有特殊的波存在，金属板表面上振幅必须为0。

在金属板外面，电磁波不受这样的限制，所以外部比内部存在更多的模式。

电磁波的照射，本质上是光子照射在金属板上施加压力。

因为外面电磁波的图形多，压力也大，所以整体上产生向内的压力。

这种物理现象被称为“卡西米尔效应”，真空产生的力也被称为“卡西米尔力”。

壁虎的脚贴在墙壁上是卡西米尔力宏观表现的一个例子。

但是，这种力随着距离的延长而急速下降，只能在亚微米的距离观测到。由于纳米技术的发展，卡西米尔力的观测成为可能。

除了看起来很大的压力之外，卡西米尔力还伴随着其他物理现象发生。例如，它可以在两个不接触的物体之间传递热量，而不利用热辐射。

真空的热传导

热是指原子在物体内部振动，物理学家称这种集体振动为“声子”。不是实际的粒子，而是记述原子振动模式的“准粒子”。

通过这些“声子”，物体的表面会随着时间而上下移动。当两个物体相互靠近时，由于第一个物体表面的起伏，第二个物体也会因卡西米尔力而同样起伏。

因此，声子直接通过真空，传送到第二个物体。

声子是热的载体，卡西米尔力使声子通过真空间隙的同时也能传递热量。

真空摆动产生的电磁波（光子）像弹簧一样连接两个物体。更热的物体[声子]可以将热量传递给光子，光子继续将能量传递给更冷的物体。

原则上，太阳的热量这样也能传到地球，但由于太阳和地球相距甚远，主要的热量还是由太阳光传播的。

两者距离较小时，卡西米尔效果产生的热传导超过热辐射，占主导地位。

这种由“卡西米尔力”引起的热传导现象，在2011年由理论模型预测，但这种效应太微弱，容易被其他现象所掩盖。

目前，加州大学伯克利校的科学家们正在进行精确测量这种传热模式的实验。

张翔和团队花了4年的时间完成了实验的设计和测量。

实验中对温度、距离、排列的方法要求非常严格。炎热使实验室变得炎热，夏天不能进行实验。此外，测量本身需要很长时间才能去除噪声，每个数据点的测量需要4个小时。

真的很好

为了证明在真空中可以进行热传导，团队在真空中放置了两片氮化硅膜，相隔数百纳米。

两片氮化硅膜尺寸不同，一片330×330微米，另一张是280×280微米，但厚度相同，为0.1微米。

卡西米尔为了发挥效果，在氮化硅膜的两面镀上75纳米的镀层，在真空中反射电磁波。

两片膜的面积不同，是为了根据温度达到相同的振动频率而共振，有效地交换能量。

同时，两侧用激光干涉技术测量膜表面的分子的热运动。

通过照射激光光线，可以避开热的光加热的影响，最大限度地保持真空的热传导。因此，团队使用最低输出的激光，以20dB的信噪比解决了基本频率的热机械噪声。

要证明热传导确实会发生，只需加热氮化硅膜中的一片，再确认另一片是否被加热。

于是，我们发现另一片氮化硅膜，因为膜的两侧有温差，所以它真的被加热了。在这个过程中，热辐射与热传导相比可以忽略热量。

传热量与两侧温度有关。根据热传导定律，温差与相互作用的两个膜之间的热传递量成正比。

研究小组测量了在与真空间隙不同距离的条件下膜间传递的热量。他们发现测量结果与理论估计值（卡西米尔、精确吻合。

关于如何测量温度，我们使用“声子”模式的热布朗运动来量化温度变化。

热布朗运动的测量可以与膜表面原子的温度有关，所以也可以作为测量温度的工具。

我们发现，当膜之间的距离在600纳米以下时，其他现象开始发生无法解释的温度变化。在400nm以下，有足够的热交换速度使两片膜达到几乎相同的温度。

研究者们计算出能量移动到一个可见光子大约需要50秒。这个数字看似微不足道，但张翔指出正在制作“传递东西之间热量的新结构”。

研究意义。

对于这一突破，共同研究者李昊坤表示。

也就是说，对受到散热问题制约的计算机芯片和其他纳米级电子部件的设计工作，可能会产生很大的影响。

随着电子设备的尺寸越来越小，硬件工程师有可能设计出纳米级的散热。机械硬盘距离磁盘只有3纳米

我们还认为，这样的效果对微机电系统（MEMS）的设计也有重要意义。

考虑到用光刻技术制作各种尺寸芯片所需的光的频率，卡西米尔效果的截止频率之间有对应关系。

对于论文作者提到的“暗示声音也会真空传播”这一点，一位网友表示。

但是，由于声音的音量呈指数衰减，为了在真空中听到声音，前提是像本实验的氮化硅膜一样非常近（0.0004mm）能听到声音。

华人团队

这个Nature论文的研究小组，是全华班的阵容，UC伯克利张翔教授的研究小组。

论文是两个人共同写的。

一位是King Yan Fong博士毕业于耶鲁大学，目前是UC伯克利的博士研究员。

另一位李昊坤出生于湖南衡阳，2009年毕业于湖南师范大学附属中学，在全国中学生物理竞赛中获得一等奖，被北京大学推荐入学。之后，获得UC伯克利工学和应用科学的博士学位，于2019年毕业。

论文公报作者为香港大学校长、中国科学院外国院士、美国国家工学院院士张翔

张翔教授生于江苏南京，本硕毕业于南京大学，1996年获UC伯克利机械工程专业博士学位。现任“UC”“伯克利”特聘教授兼NSF纳米科学工程中心（NSEC）主任、劳伦斯“伯克利”国立实验室主任等。

论文的其他作者是毕业于西安交通大学并在北京师范大学获得博士学位的Rongkuo Zhao。2017年，他从UC伯克利博士后出场，现在是光刻巨头ASML的高级产品工程师。

Sui Yang，博士毕业于UC伯克利，师从张翔教授。现为NSEC研究科学家。

于华，本科毕业于南京大学，在加州大学洛杉矶分校获得硕士学位，2009年毕业于UC伯克利博士。我现在在NSEC工作。

传输门

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

-结束了