Khi bạn chạm vào một bề mặt nóng, bạn đang cảm thấy chuyển động. Nếu bạn ấn tay vào một cốc trà, hơi ấm lan tỏa qua các ngón tay của bạn. Đó là cảm giác của hàng tỷ nguyên tử đập vào nhau. Các rung động nhỏ mang năng lượng nhiệt từ nước đến cốc và sau đó vào da của bạn khi một phân tử gõ vào tiếp theo, gửi nó vào một phần ba - và cứ thế tiếp tục.
Nhiệt cũng có thể xuyên qua không gian dưới dạng sóng bức xạ, nhưng không có bức xạ, nó cần thứ để đi qua - các phân tử đập vào các phân tử khác. Máy hút bụi không có "thứ" trong đó, vì vậy chúng có xu hướng bẫy nhiệt. Ví dụ, trên quỹ đạo Trái đất, một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất là tìm ra cách hạ nhiệt một con tàu tên lửa.
Nhưng bây giờ, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trên quy mô hiển vi, điều này không thực sự đúng. Trong một bài báo mới được công bố ngày 11 tháng 12 trên tạp chí Nature, các nhà vật lý đã chỉ ra rằng những rung động nhỏ của nhiệt có thể vượt qua hàng trăm nanomet không gian trống. Thí nghiệm của họ đã khai thác một tính năng kỳ lạ của chân không lượng tử: Nó hoàn toàn không trống rỗng.
"Chúng tôi đã chỉ ra rằng hai vật thể có thể 'nói chuyện' với nhau trên một không gian trống, ví dụ, hàng trăm nanomet," Hao-Kun Li, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. Li là một nhà vật lý tại Đại học Stanford, người đã nghiên cứu về nghiên cứu này khi còn là nghiên cứu sinh tại Đại học California, Berkeley.
Hàng trăm nanomet là một không gian vô hạn theo nghĩa của con người - vài phần nghìn milimet, hoặc lớn hơn một chút so với một loại virus thông thường. Nhưng đó vẫn là khoảng cách quá lớn để nhiệt truyền qua, ít nhất là theo các mô hình truyền nhiệt đơn giản.
Năm 2011, các nhà nghiên cứu bắt đầu suy đoán rằng chính chân không lượng tử có thể có khả năng mang các rung động phân tử của nhiệt. Một bài báo được công bố trên tạp chí Vật lý ứng dụng đã chỉ ra rằng, trong vật lý lượng tử, chân không được hiểu là một nơi đang sôi sục với năng lượng. Biến động ngẫu nhiên của vật chất và năng lượng xuất hiện và sau đó biến mất, nói chung ở quy mô nhỏ hơn nhiều so với mọi người có thể tưởng tượng.
Những biến động đó là hỗn loạn và không thể đoán trước. Nhưng họ có thể hành động như những viên đá để mang theo một làn sóng nhiệt - dưới dạng kích thích lượng tử được gọi là phonon - qua một khoảng trống. Nếu bạn là một phonon được đặt ra để vượt qua một khoảng cách rộng, giả sử, một vài inch, tỷ lệ biến động đúng xảy ra theo đúng thứ tự để giúp bạn vượt qua sẽ rất thấp đến mức nỗ lực sẽ trở nên vô nghĩa.
Nhưng thu nhỏ quy mô, các nhà nghiên cứu cho thấy, và tỷ lệ cược được cải thiện. Với kích thước khoảng 5 nanomet, chiếc máy nhảy lượng tử kỳ lạ này sẽ trở thành phương thức chủ yếu để truyền nhiệt qua không gian trống - vượt xa cả bức xạ điện từ, trước đây được cho là cách duy nhất để năng lượng vượt qua chân không.
Tuy nhiên, những nhà nghiên cứu dự đoán hiệu ứng sẽ chỉ có ý nghĩa với quy mô khoảng 10 nanomet. Nhưng nhìn thấy bất cứ điều gì trên quy mô 10 nanomet là khó khăn.
"Khi chúng tôi thiết kế thử nghiệm, chúng tôi nhận ra điều này không thể dễ dàng thực hiện được", Li nói với Live Science.
Ngay cả khi hiệu ứng xảy ra, quy mô không gian rất nhỏ đến mức không có cách nào tốt để đo lường nó một cách thuyết phục. Để tạo ra sự quan sát trực tiếp đầu tiên về nhiệt qua chân không, các nhà vật lý của UC Berkeley đã tìm ra cách mở rộng quy mô thí nghiệm.
"Chúng tôi đã thiết kế một thí nghiệm sử dụng màng cơ học rất mềm", có nghĩa là chúng rất đàn hồi hoặc co giãn, Li nói.
Nếu bạn gảy một dây đàn guitar bằng thép cứng, ông giải thích, các rung động kết quả sẽ nhỏ hơn nhiều so với những gì bạn thấy nếu bạn gảy một dây đàn guitar nylon đàn hồi hơn với cùng độ mạnh. Điều tương tự cũng xảy ra trên quy mô nano trong thí nghiệm: Những màng siêu đàn hồi đó cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy những rung động nhiệt nhỏ mà không thể nhìn thấy được. Bằng cách cẩn thận bật ánh sáng ra khỏi các màng đó, các nhà nghiên cứu đã có thể quan sát các phonon nhiệt đi qua khe hở vẫn còn rất nhỏ.
Li nói, công việc này có thể trở nên hữu ích - cả với những người xây dựng máy tính thông thường và cho các nhà thiết kế máy tính lượng tử.
Một vấn đề quan trọng trong việc xây dựng các vi mạch tốt hơn và nhanh hơn là tìm ra cách phân tán nhiệt từ các mạch tụ lại trong các không gian nhỏ, Li nói.
"Phát hiện của chúng tôi thực sự ngụ ý rằng bạn có thể thiết kế chân không để tản nhiệt từ chip máy tính hoặc thiết bị nano," ông nói.
Nếu bạn điều chỉnh chân không bằng cách định hình đúng cách bằng vật liệu phù hợp, nó có thể - trong tương lai - sẽ trở nên hiệu quả hơn trong việc kéo nhiệt ra khỏi chip so với bất kỳ phương tiện hiện có nào, ông nói.
Các kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu sử dụng cũng có thể được sử dụng để làm vướng víu các phonon - chính các rung động - trên các màng khác nhau. Điều đó sẽ liên kết các phonon ở mức lượng tử giống như cách các nhà vật lý lượng tử đã liên kết các photon, hoặc các hạt ánh sáng, được tách ra trong không gian. Sau khi được liên kết, các phonon có thể được sử dụng để lưu trữ và truyền thông tin lượng tử, hoạt động như "các qubit cơ học" của máy tính lượng tử giả định. Và một khi đã hạ nhiệt, ông nói, các phonon thậm chí còn hiệu quả hơn trong việc lưu trữ dữ liệu dài hạn so với các qubit truyền thống.
