“真空传声”和“量子冷却”，改变人们对世界的认知

　　“真空传声”和“量子冷却”，改变人们对世界的认知

　　真空可以传热吗？最近，科学家们通过一个巧妙的实验，发现了热传递的新方式——真空传“声”，即原子振动能可通过“量子涨落”在真空中传播。这给包括集成芯片散热在内的一些棘手问题提供了解决思路。

　　量子涨落使得声子可以在真空中传递热量 | 张翔（论文作者）

　　作者 | 龙浩 微电子学与固体电子学博士 

　　责编 | 高佩雯

　　冬日里最惬意的事，莫过于沐浴午后暖阳，泡一壶热茶，安静的享受慵懒和难得的慢时光。手握茶杯时，杯壁上数以亿计不停振动的原子通过碰撞，将热量传导到皮肤，这是“热传导”让手心感觉到温暖。科学家们把物体中原子振动的能量载体称作“声子”，换句话说，热传导是由介质中的声子（原子振动）实现的。

　　当水温过高，由茶杯传导到皮肤的剧烈的原子振动会让人感觉烫手。这时，我们需要的是一只真空保温杯，利用真空将保温杯内外壁隔开。由于真空中没有介质，原子振动不复存在（即无法通过声子传递热量）。这样，保温杯外壁的温度就会远低于内壁，不再烫手了 。

　　你一定会想，难道真空就不能传递热量吗？太阳的热量不就到达地球上了吗？

　　没错，“热辐射”是热传递的另一种方式，能够在没有介质的真空中通过电磁波传递热量。这正是距离我们1.5亿公里、表面温度大约5500℃的太阳温暖我们的方式。科学家们把电磁波的能量载体称作“光子”，换句话说，热辐射是依靠光子实现的。

　　光子的传输不需要介质，在真空中也能进行。尽管真空保温杯的内壁会向外壁进行热辐射，但是这种光子作用下的导热速率远不及声子作用下的热传导速率，所以真空保温杯的隔热作用依然显著。

　　这一切仿佛并没有什么问题。可是，让无数科学家都困惑不解的量子力学，却总能给人们带来不一样的观点。

　　就在上个月，科学家们通过实验证明：在数百纳米的微观尺度（距离）内，真空也是可以传递声子的。并且，通过这种全新方式的热量传递，比热辐射要有效率得多。这是怎么回事呢？

　　神奇的卡西米尔力：真空可以传递原子振动

　　早在1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）基于量子力学理论，通过计算，提出了一种似乎有违常理的结论：由于一种被称为“量子涨落”（Quantum Fluctuation）的量子效应，在真空中相互靠近的两块平行金属板会受到真空施加的压力，这就是著名的卡西米尔力（Casimir Force）。该现象在1996年被美国物理学家S. K. Lamoreaux用实验成功观测到。 

　　该研究证明了“真空也能产生力的作用，真空不是真的空”。

　　如果将这个结论继续延伸，就会从理论上推导出另一个匪夷所思的结果：当其中一片金属板振动时，会引起真空中和它平行的另一片金属板的振动，这就意味着，声音可以在真空中传播，因为声音的本质就是物体振动。

　　从微观层面看，这个推论说明了，原子振动可以影响被真空隔离的另一个物体的原子振动，即，声子可以通过真空传输。这是一种在热辐射之外的全新的真空热传递方式！

　　可是，为什么教科书上依然说，真空中只有热辐射才能传递热量？

　　主要原因是这个现象一直缺乏直接的实验证据。就像很多人都知道的“量子隧穿”效应：在经典世界中（宏观尺度上），崂山道士想要穿墙只会头破血流；而在微观世界，电子穿“墙”却轻而易举。

　　同样是基于量子力学推导出的卡西米尔效应，在宏观上表现十分微弱，难以察觉，想要从实验上观测，必须在纳米级的微观尺度下进行，这使得它的实验验证十分困难。

　　新研究：观测到真空中的声子传输

　　不过，2019年12月11日，一项刊登在《自然》杂志上的最新研究成果，通过巧妙和精确的实验设计，完成了这项艰难的任务，首次观测到了声子通过真空传播的现象。

　　来自加州大学伯克利分校的研究人员制作了两块直径约为300微米（0.3毫米）、厚度仅为100纳米的氮化硅薄膜，在正反面分别镀上75纳米的金膜，然后将两块氮化硅镀金薄膜置于真空中。

　　研究人员将两块薄膜精确的平行放置，并同温度差为25.5℃的两个热源分别连接。他们利用超低功率激光光学干涉方法进行非直接接触式的温度测量。

　　实验装置，可以制造真空环境并测量温度 | 张翔（论文作者） 加州大学伯克利分校

　　结果发现，当两块薄膜距离较远时，二者的温度分别同各自连接的热源温度一致，温差维持在25.5℃不变。然而，当逐渐减小平行薄膜的间距直至600纳米时，神奇的现象出现了：它们的温度差开始减小；直到间距缩小到350纳米时，两块薄膜的温度几乎达到一致。

　　这说明，它们之间可以通过真空进行热量传递。更加令人兴奋的是，研究人员发现实验结果同卡西米尔效应引起的真空声子传输理论计算的结论惊人的一致。

　　这真是令人欢欣鼓舞的一刻。

　　真空可以传递原子振动，实验结果与卡西米尔效应的理论计算结果惊人一致 | 张翔 加州大学伯克利分校

　　可是，依然会产生一个疑问：这样的真空热量传递可能是，或者至少有一部分是热辐射吗？

　　研究人员也曾担心这个问题。他们通过理论计算得出，在实验测试的距离范围内，由于热辐射造成的温度影响应当小于0.02℃，并且通过实验证实了理论推导的结果。这意味着，本实验条件下两块薄膜之间的热辐射对真空热量传递的贡献非常小；也说明在数百纳米的距离下，声子热量传输速率远远高于热辐射的导热速率。

　　除此之外，研究人员也通过电压补偿的方式排除了静电作用力的干扰。

　　至此，研究人员把已知的影响因素悉数排除，卡西米尔力引起真空中声子热量传递的理论结果被实验证实，也暗示了在特定条件下，宏观的声音可以经真空传播。

　　量子冷却：用“真空传声”解决集成芯片散热问题

　　这种在近距离条件下奇妙的热传递方式，将可能颠覆现有集成电路芯片和其他微纳电子器件的热管理模式。新一代的集成电路芯片已经开始采用7纳米工艺生产线，随着电子元器件的密度增加，如何解决芯片散热是十分棘手的难题，也成为了摩尔定律逐渐失效的重要原因之一。

　　维德曼-夫兰兹定理（Wiedemann-Franz Law）告诉我们，良好的热导体同时也会是良好的电导体。高效的热传导和致使电路导通（短路）的矛盾是微纳电子器件散热难题的症结所在。利用这项真空传输声子的研究，有望通过间隔数百纳米非接触的方式利用声子作用快速传递热量，达到“量子冷却”的效果。

　　“真空传声”和“量子冷却”，这是量子力学在现实生活中新增的重要潜在应用领域。量子力学早已从科学家们的争论里逐渐走进了人们的生活，未来也将持续改变人们对世界的认知。

　　参考文献：

　　[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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