Năng lượng nhiệt “nhảy” qua không gian trống nhờ cơ học lượng tử

Nếu từng dùng một bình kín cách nhiệt chân không để giữ nóng cà phê, bạn có thể biết một vật cách nhiệt tốt như thế nào bởi năng lượng nhiệt khó có thể truyền qua không gian trống. Những dao động của các nguyên tử hay các phân tử, vốn mang năng lượng nhiệt, không thể di chuyển một cách thuận lợi nếu chúng không có các nguyên tử hay phân tử xung quanh.

Nhưng một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu trường đại học California ở Berkeley đã chứng tỏ, sự bí ẩn của cơ học lượng tử đã giúp thực hiện nguyên lý cơ bản này của vật lý cổ điển.

Công trình nghiên cứu này đã được xuất bản trên tạp chí Nature. Nó cho thấy năng lượng nhiệt có thể vượt qua một khoảng cách chân không khoảng vài năm nano mét nhờ hiệu ứng cơ học lượng tử mang tên tương tác Casimir, hiện tượng mang tên nhà vật lý Hà Lan Hendrik Casimir, người từng dự đoán hiện tượng vào năm 1948.

Dẫu tương tác này chỉ xuất hiện ở các mức chiều dài cực kỳ nhỏ, nó có thể có những gợi ý sâu sắc về thiết kế các chip máy tính và những hợp phần điện tử ở cấp độ nano, nơi sự tán xạ nhiệt là vấn đề trọng yếu. Nó cũng lật lại những gì mà chúng ta đã học về truyền nhiệt trong môn vật lý phổ thông.

“Nhiệt thông thường được truyền dẫn trong một chất đậm đặc thông qua nhưng dao động của các nguyên tử hoặc phân tử, hoặc cái gọi là các phonon – nhưng trong một chân không, đó không phải một môi trường vật lý. Vì vậy trong nhiều năm, các cuốn sách dạy chúng ta rằng các phonon không thể chuyển động qua một chân không”, Xiang Zhang, giáo sư kỹ thuật cơ học tại trường UC Berkeley và là người dẫn dắt nghiên cứu, nói. “Thật đáng ngạc nhiên là những gì chúng tôi khám phá ra là các phonon có thể được truyền qua một chân không bằng các dao động lượng tử ẩn”.

Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu của Zhang đặt hai màng silicon nitride bọc vàng cách nhau và trăm nano mét bên trong một buồng chân không. Khi họ gia nhiệt một trong hai tấm màng, màng còn lại cũng nóng lên – ngay cả không hề kết nối hai tấm nàng và năng lượng ánh sáng vượt qua giữa chúng cũng không đáng kể.

“Khám phá cơ chế mới về truyền nhiệt mở ra những cơ hội chưa từng có cho việc quản lí nhiệt ở cấp độ nano, vốn đóng vai trò quan trọng trong máy tính tốc độ cao và lưu trữ dữ liệu”, Hao-Kun Li, một cựu nghiên cứu sinh trong nhóm của Zhang và đồng tác giả nghiên cứu, nhận xét. “Giờ đây, chúng ta có thể xây dựng chân không lượng tử để tách nhiệt trong các mạch tích hợp”.

Không có nhiều thứ như không gian trống

Các dao động phân tử chuyển động qua một chân không mà người ta tưởng là điều không thể lại có thể thực hiện được bởi theo cơ học lượng tử, không có nhiều thứ như chân không trống thực sự, King Yan Fong, một postdoct tại UC Berkeley và là một tác giả thứ nhất của công bố, nhận xét.

“Thậm chí nếu có một không gian trống rỗng – không vật chất, không ánh sáng, cơ học lượng tử vẫn coi là không thể có được sự trống rỗng thực sự. Vẫn còn một vài dao động trường lượng tử trong một chân không”, Fong nói. “Các dao động giúp tăng lên một lực kết nối hai vật chất, đó là tương tác Casimir. Vì vậy, khi một vật thể gia nhiệt và bắt đầu rung và dao động, chuyển động có thể cuối cùng được truyền sang vật thể khác qua chân không nhờ các dao động lượng tử đó”.

Dẫu các nhà lý thuyết đã suy xét trong thời gian dài rằng tương tác Casimir có thể giúp các dao động phân tử di chuyển qua không gian trống, việc chứng minh nó về mặt thực nghiệm là một thách thức lớn. Để làm việc này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế những màng silicon nitride vô cùng mỏng, vốn được họ chế tạo trong một phòng sạch, sau đó tìm cách kiểm soát và điều khiển nhiệt độ phòng một cách thận trọng.

Bằng việc lựa chọn kích thước và thiết kế các tấm màng mỏng, họ thấy mình có thể truyền năng lượng nhiệt qua một chân không có kích thước vài nano mét. Khoảng cách này đủ xa để một số phương thức truyền nhiệt khác không đáng kể – như năng lượng do các bức xạ điện từ, vốn là cách mặt trời làm nóng trái đất.

Bởi vì các dao động phân tử cũng là vấn đề cơ bản của truyền âm thanh mà chúng ta có thể nghe, khám phá này gợi ý các âm thanh có thể truyền qua một chân không, Zhang nói.

“20 năm trước, trong kỳ thi tuyển tiến sĩ của tôi tại Berkeley, một giáo sư hỏi tôi ‘tại sao em có thể nghe thấy giọng tôi khi ở quanh bàn này?’, tôi liền trả lời ‘bởi vì âm thanh ông phát ra di chuyển bằng các phân tử dao động trong không khí’. Ông ấy còn gặng thêm ‘cái gì xảy ra nếu chúng ta hút tất cả các phân tử khí khỏi phòng này?’, tôi đáp, ‘không gì cả, bởi vì không có môi trường trung gian để dao động’,” Zhang kể lại. “Ngày nay, những gì chúng tôi khám phá là một phương thức truyền nhiệt mới qua một chân không mà không cần môi trường trung gian, nó đạt được là do các dao động chân không lượng tử đầy hấp dẫn. Vì vậy, tôi đã sai lầm trong kỳ thi năm 1994. Giờ thì thậm chí anh còn có thể  reo hò qua một chân không nữa kia”.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-12-energy-space-quantum-weirdness.html