Nature：颠覆教科书，华人科学家实现声子真空传热！

小纳米

2019-12-14

声、光、电、热、力、磁，可谓是物理学中的经典现象，也是人类社会各种行为活动必不可少的元素。以热为例，热量的传递无论是在航空航天，国防军事，石油化工等重大设施和场所，还是在汽车、电脑、手机等具体事物上，都发挥着不可估量的作用。厘清热量传递的问题，可以帮助我们电动汽车更安全高效的运行，电脑、手机更好地散热。

中学教科书告诉我们，热能在固体中的传导，主要通过声子（电子或分子）振动进行。在真空世界里，由于缺少传递介质，人们一直认为热量是通过辐射而不是声子传递的。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。

 Hendrik Casimir

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。

研究团队在完全无尘的真空密室中制造出超薄的两片镀金氮化硅膜，并将其放置于相距数百纳米的距离。作者基于纳米力学系统通过真空波动实现强声子耦合，并观察各个声子模式之间的热能交换。

在排除其它可能的传热方式的影响前提下，研究人员发现，即便两片膜中间的数百纳米之间没有任何连接，连空气也没有，当加热其中一片膜时，另一片膜的温度也升高。

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。

参考文献：

KingYan Fong et al. Phonon heat transfer across a vacuum through quantumfluctuations. Nature 576, 243–247.

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

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