真空可以傳熱嗎？最近，科學(xué)家們通過一個巧妙的實驗，發(fā)現(xiàn)了熱傳遞的新方式——真空傳“聲”，即原子振動能可通過“量子漲落”在真空中傳播。這給包括集成芯片散熱在內(nèi)的一些棘手問題提供了解決思路。

作者 | 龍浩 微電子學(xué)與固體電子學(xué)博士
責編 |?高佩雯

冬日里最愜意的事，莫過于沐浴午后暖陽，泡一壺熱茶，安靜的享受慵懶和難得的慢時光。手握茶杯時，杯壁上數(shù)以億計不停振動的原子通過碰撞，將熱量傳導(dǎo)到皮膚，這是“熱傳導(dǎo)”讓手心感覺到溫暖?？茖W(xué)家們把物體中原子振動的能量載體稱作“聲子”，換句話說，熱傳導(dǎo)是由介質(zhì)中的聲子（原子振動）實現(xiàn)的。

當水溫過高，由茶杯傳導(dǎo)到皮膚的劇烈的原子振動會讓人感覺燙手。這時，我們需要的是一只真空保溫杯，利用真空將保溫杯內(nèi)外壁隔開。由于真空中沒有介質(zhì)，原子振動不復(fù)存在（即無法通過聲子傳遞熱量）。這樣，保溫杯外壁的溫度就會遠低于內(nèi)壁，不再燙手了?。


你一定會想，難道真空就不能傳遞熱量嗎？太陽的熱量不就到達地球上了嗎？

沒錯，“熱輻射”是熱傳遞的另一種方式，能夠在沒有介質(zhì)的真空中通過電磁波傳遞熱量。這正是距離我們1.5億公里、表面溫度大約5500℃的太陽溫暖我們的方式?？茖W(xué)家們把電磁波的能量載體稱作“光子”，換句話說，熱輻射是依靠光子實現(xiàn)的。

光子的傳輸不需要介質(zhì)，在真空中也能進行。盡管真空保溫杯的內(nèi)壁會向外壁進行熱輻射，但是這種光子作用下的導(dǎo)熱速率遠不及聲子作用下的熱傳導(dǎo)速率，所以真空保溫杯的隔熱作用依然顯著。

這一切仿佛并沒有什么問題?？墒牵専o數(shù)科學(xué)家都困惑不解的量子力學(xué)，卻總能給人們帶來不一樣的觀點。

就在上個月，科學(xué)家們通過實驗證明：在數(shù)百納米的微觀尺度（距離）內(nèi)，真空也是可以傳遞聲子的。并且，通過這種全新方式的熱量傳遞，比熱輻射要有效率得多。這是怎么回事呢？

神奇的卡西米爾力：真空可以傳遞原子振動?

早在1948年，荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾（Hendrik Casimir）基于量子力學(xué)理論，通過計算，提出了一種似乎有違常理的結(jié)論：由于一種被稱為“量子漲落”（Quantum Fluctuation）的量子效應(yīng)，在真空中相互靠近的兩塊平行金屬板會受到真空施加的壓力，這就是著名的卡西米爾力（Casimir Force）。該現(xiàn)象在1996年被美國物理學(xué)家S. K. Lamoreaux用實驗成功觀測到。

該研究證明了“真空也能產(chǎn)生力的作用，真空不是真的空”。

如果將這個結(jié)論繼續(xù)延伸，就會從理論上推導(dǎo)出另一個匪夷所思的結(jié)果：當其中一片金屬板振動時，會引起真空中和它平行的另一片金屬板的振動，這就意味著，聲音可以在真空中傳播，因為聲音的本質(zhì)就是物體振動。

從微觀層面看，這個推論說明了，原子振動可以影響被真空隔離的另一個物體的原子振動，即，聲子可以通過真空傳輸。這是一種在熱輻射之外的全新的真空熱傳遞方式！

可是，為什么教科書上依然說，真空中只有熱輻射才能傳遞熱量？

主要原因是這個現(xiàn)象一直缺乏直接的實驗證據(jù)。就像很多人都知道的“量子隧穿”效應(yīng)：在經(jīng)典世界中（宏觀尺度上），嶗山道士想要穿墻只會頭破血流；而在微觀世界，電子穿“墻”卻輕而易舉。

同樣是基于量子力學(xué)推導(dǎo)出的卡西米爾效應(yīng)，在宏觀上表現(xiàn)十分微弱，難以察覺，想要從實驗上觀測，必須在納米級的微觀尺度下進行，這使得它的實驗驗證十分困難。

新研究：觀測到真空中的聲子傳輸

不過，2019年12月11日，一項刊登在《自然》雜志上的最新研究成果，通過巧妙和精確的實驗設(shè)計，完成了這項艱難的任務(wù)，首次觀測到了聲子通過真空傳播的現(xiàn)象。

來自加州大學(xué)伯克利分校的研究人員制作了兩塊直徑約為300微米（0.3毫米）、厚度僅為100納米的氮化硅薄膜，在正反面分別鍍上75納米的金膜，然后將兩塊氮化硅鍍金薄膜置于真空中。

研究人員將兩塊薄膜精確的平行放置，并同溫度差為25.5℃的兩個熱源分別連接。他們利用超低功率激光光學(xué)干涉方法進行非直接接觸式的溫度測量。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當兩塊薄膜距離較遠時，二者的溫度分別同各自連接的熱源溫度一致，溫差維持在25.5℃不變。然而，當逐漸減小平行薄膜的間距直至600納米時，神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了：它們的溫度差開始減小；直到間距縮小到350納米時，兩塊薄膜的溫度幾乎達到一致。

這說明，它們之間可以通過真空進行熱量傳遞。更加令人興奮的是，研究人員發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果同卡西米爾效應(yīng)引起的真空聲子傳輸理論計算的結(jié)論驚人的一致。?

這真是令人歡欣鼓舞的一刻。

可是，依然會產(chǎn)生一個疑問：這樣的真空熱量傳遞可能是，或者至少有一部分是熱輻射嗎？

研究人員也曾擔心這個問題。他們通過理論計算得出，在實驗測試的距離范圍內(nèi)，由于熱輻射造成的溫度影響應(yīng)當小于0.02℃，并且通過實驗證實了理論推導(dǎo)的結(jié)果。這意味著，本實驗條件下兩塊薄膜之間的熱輻射對真空熱量傳遞的貢獻非常??；也說明在數(shù)百納米的距離下，聲子熱量傳輸速率遠遠高于熱輻射的導(dǎo)熱速率。

除此之外，研究人員也通過電壓補償?shù)姆绞脚懦遂o電作用力的干擾。

至此，研究人員把已知的影響因素悉數(shù)排除，卡西米爾力引起真空中聲子熱量傳遞的理論結(jié)果被實驗證實，也暗示了在特定條件下，宏觀的聲音可以經(jīng)真空傳播。

量子冷卻：用“真空傳聲”解決集成芯片散熱問題

這種在近距離條件下奇妙的熱傳遞方式，將可能顛覆現(xiàn)有集成電路芯片和其他微納電子器件的熱管理模式。新一代的集成電路芯片已經(jīng)開始采用7納米工藝生產(chǎn)線，隨著電子元器件的密度增加，如何解決芯片散熱是十分棘手的難題，也成為了摩爾定律逐漸失效的重要原因之一。

維德曼-夫蘭茲定理（Wiedemann-Franz Law）告訴我們，良好的熱導(dǎo)體同時也會是良好的電導(dǎo)體。高效的熱傳導(dǎo)和致使電路導(dǎo)通（短路）的矛盾是微納電子器件散熱難題的癥結(jié)所在。利用這項真空傳輸聲子的研究，有望通過間隔數(shù)百納米非接觸的方式利用聲子作用快速傳遞熱量，達到“量子冷卻”的效果。

“真空傳聲”和“量子冷卻”，這是量子力學(xué)在現(xiàn)實生活中新增的重要潛在應(yīng)用領(lǐng)域。量子力學(xué)早已從科學(xué)家們的爭論里逐漸走進了人們的生活，未來也將持續(xù)改變?nèi)藗儗κ澜绲恼J知。

?參考文獻：

[1]Fong, K. Y. et al., Nature 576, 243–247 (2019).

[2]Casimir, H. B. G., Proc. K. Ned. Akad. Wet. B 51, 793–795 (1948).

[3]Pendry, J. B., Sasihithlu, K. & Craster, R. V., Phys. Rev. B 94, 075414(2016).

[4]Lamoreaux, S. K., Phys. Rev. Lett. 78, 5-8 (1997).

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