华人科学家发现第四种传热方式！真空声子传热将改写物理教科书

早在上中学时，我们就知道传热一共有三种方式，热传导、热对流、热辐射。如今，这一教科书上的知识要被改写了。

近期，一篇揭晓在《自然》杂志上的论文让不少传热学、物理学、量子力学等领域的科学家们兴奋不已。美国加州大学伯克利分校教授、香港大学校长张翔领导的研究团队，首次通过实验证实了在纳米尺度下、发生在真空情况中的声子传热。这宣告着，经由几十年、几代科学家的不懈努力，人类终于乐成发现并捕捉到了这种全新的传热方式。

图 | 现代电子设备消耗着大量的能量，科学家们一直希望可以找到越发高效的散热手段。（泉源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）

而且，这不仅是基础科学的突破，也将有望对现代集成电路、微加工、高精度显微镜、数据储存等诸多领域的生长发生深远的影响。

“训练一小我私家工智能模型的碳排放比五辆车还要多” “比特币挖矿造成的碳排放相当于拉斯维加斯全城的排放” “法兰克福的网络设备能耗比机场还高”……在数字化、信息化高速生长的今天，以大规模集成电路为代表的信息设备消耗着大量的能量，而这些能量中有一大部门都被用于散热和冷却。然而，面临信息技术领域的迅速生长，传热学，这个曾经催生了火车、汽车、飞机、火箭、发电厂的“古老”学科，却遇到了新的挑战：科学家们就发现，在电子器件常见的纳米尺度上，传热量有时可以比根据传统理论盘算出来的横跨一个数量级还多。

图 | 美国加州大学伯克利分校教授、香港大学校长张翔。（泉源：Wikipedia）

这股“幽灵”一般多出来的热流，一直困扰着学界。

直到最近，在量子力学的资助下，人类才终于明白并准确丈量出了第四种传热方式——真空声子传热。

神秘的热流

热量会自发地从高温物体传到低温物体。传热学是日常生活中就能视察到的知识，也是现代工业，尤其是第一次工业革命的基石之一。正是由于传热学的生长，蒸汽机、内燃机等设备得以发现，发电厂、汽车、航空发念头等设备得以泛起，现代工业社会的面目得以奠基。

中学的时候我们就学到，传热一共有三种形式：

1. 热传导：热量以振动能的形式从一个分子通报给另一个分子，好比做饭的时候热量从锅底的下外貌通报到上外貌；

2. 热对流：流体的宏观运动、混淆引起的热量通报，好比沸腾的水把热量通报给在内里翻腾的饺子；

3. 热辐射：热量通过电磁波的形式举行通报，好比太阳把温暖带给地球。

图 | 热传导——晶体中的声子流传会带来热量的通报。（泉源：Wikipedia）

显而易见，岂论是热传导还是热对流，它们的发生都离不开实打实的物质——也就是介质的到场。对于前者来说，热量只能在物体内部、或者精密贴合的物体之间通报；而对于后者来说，要想传热必须有流体分子的存在。

因此，如果两个物体相互分散，中间又只有真空的话，那么在它们之间能够发生的唯一的传热方式就是热辐射。究竟，真空内里什么都没有，想把热量通报出去，只能通过不依赖介质就可以流传的电磁波。科学家们也很早就准确盘算出了热辐射可以通报的热量，用以指导包罗锅炉、暖气、航天器在内的许多设备的生产制造。

然而，上世纪 60 年月，科学家们在实验中却发现了一件神奇的事情。当处于真空中的两个物体距离距离很是近、近到 1 微米甚至更小的时候，它们之间的传热量，可以比根据热辐射盘算出来的热流要高得多，甚至可以横跨凌驾一个数量级。

随着一项又一项的实验证明晰这个现象，科学家们开始意识到，搞欠好，除了热传导、热对流和热辐射，还存在着第四种传热方式，而且这种传热方式可以在真空中举行。

这第四种传热方式，如果存在的话，究竟是什么呢？

第四种传热方式

“遇事不决，量子力学”。面临这种神秘的热量通报，量子力学还真给出了自己的解释。

对于绝大多数学科来说，真空就是真空，真空意味着这个空间内里一个粒子都没有。可是，对于量子力学来说，真空却一点都“不空”。

量子力学认为，真空中虽然没有任何的实粒子，却存在着所谓的“虚粒子”。这些虚粒子以正反粒子的形式成对泛起——泛起一个正的虚粒子，就会同时泛起一个反的虚粒子，然后它们又会在极短的时间内湮灭。好比滚水中翻腾的泡泡，有的泛起了，有的却在消失。真空也是如此，看上去什么都没有，但虚粒子却十分活跃地玩着泛起又湮灭的游戏。

图 | 真空中的量子涨落，带来虚粒子的发生和湮灭。（泉源：DEREK LEINWEBER）

这不是一个假说，而是实打实地在实验中观察到的效果。而虚粒子的不停发生和湮灭，还会发生力的作用。在真空中，如果把两个很薄很薄的平板放得很近很近，那么它们两个就会被虚粒子推向相互、最后吸在一起，似乎它们之间存在某种神奇的引力一样。而这种可以穿越真空的作用力，叫做卡西米尔效应（Casimir effect）。

既然卡西米尔力可以把两块板子推到一起，那么，它能不能像晶体内里的热传导一样，引起离得很近的两个物体内部门子的振动、从而隔着真空实现声子传热呢？

只管听上去有些原理，但到底能不能发生真空声子传热、在多近的距离上可以发生、传热的量有多大，差别的科学家给出的估算有着很大的差异。种种盘算之间唯一的共性，就是这种传热发生在纳米尺度上，但有的模型估算出来是几百纳米，有的却要小得多。

盘算尚且如此难题，丈量就越发难题了——在纳米尺度上，静电等其它相互作用很是强，会给传热的丈量带来很大的滋扰。没法准确丈量，就没法用准确的物理和数学模型来形貌真空声子传热。因此，只有用实验的方法发现真空声子传热，才气做实这第四种传热机制的存在。

细密的实验

张翔团队使用了一套十分细密的实验设备，丈量出了发生在两个平行放置的纳米薄膜之间的微小传热。

图 | 细密的实验设备。（泉源：UC Berkley）

这套设备的焦点，是两片厚度只有 100 纳米的氮化硅薄膜。这个厚度差不多是一根头发丝直径的 1/500。为了提高丈量卡西米尔力的准确度，他们把这两片薄膜在真空中平行放置，平行到薄膜之间的夹角不凌驾10-4rad。又把薄膜做到了很是平滑，外貌的凹凸连 1.5 纳米都不到。

为了探测出薄膜的温度，他们在薄膜的外貌笼罩了薄薄的一层金反射层，并使用了很是细密的光学仪器来探测薄膜的振动频率——这和温度息息相关。

实验装置设计完成后，每次丈量还需要 4 个小时来举行调试，确保到达实验所需的温度等一系列苛刻的条件。

终于，经由重复的实验，研究人员看到了自己期待已久的效果：

图 | 实验原理：热端的温度一开始与冷端差别。随着距离的靠近，卡西米尔力会让两者的温度趋于一致。（泉源：Fong et al., 2019）

当两个薄膜的距离还比力远的时候，在热源的作用下，它们各自的模式温度（Ti’）都和热源温度（Ti）是一致的；而当两个薄膜的距离越来越近的时候（小于几百纳米），卡西米尔力就会开始发挥作用，让两个薄膜的模式温度（Ti’）发生显着的变化。

在实验中，他们发现，只管冷热两个热源的温度差高达 25 度，但随着距离 d 的缩短，真空声子传热却让两个薄膜最后的模式温度相差无几。也就是说，只要距离足够近，热量就可以穿越真空，从高温的薄膜通报到低温的薄膜。而这个历程中，热辐射所能引起的传热连 4% 都不到。因此，研究人员得出结论，决议性的传热机制就是真空声子传热。

他们还凭据量子力学提出了盘算真空声子传热的理论盘算模型，效果发现与实验丈量的数据很是吻合。

就这样，继热传导、热对流、热辐射之后，第四种传热方式横空出世。

深远的影响

只管对于太阳光在宇宙中的流传、甚至热量在暖水瓶的真空保温层中通报来讲，真空声子传热的热流在宏观尺度上的巨细可以忽略不计，但在微观尺度上，明白并掌握这种原理就显得很是重要了。

对于大规模集成电路来说，现在的芯片工艺已经从 14 纳米、7 纳米逐渐迫近摩尔定律的物理极限。如果可以在微观层面上设计出集成电路内部的散热系统，将有望大幅革新电子设备的热治理水平，进一步缩小器件体积的同时，显著降低能耗、淘汰碳排放。

对于硬盘这样的磁性存储设备来说，磁头和磁盘间的距离也只有几个纳米。如果可以设计出更好的散热方式，就可以提高数据存储的密度，进而提高设备的数据储存容量。这对于大数据等行业来说很是重要。

图 | 硬盘的磁头与磁盘。真空声子传热的发现对于一系列领域都将有着深远的影响。（泉源：pixabay）

类似的，在同样为纳米尺度的高精度显微、光通信、细密加工等领域，更好的散热设计也将制止热扰动的影响，提高设备的准确度和紧凑性。

而在越发基础的科学研究领域，真空声子传热的发现将有助于我们进一步明白自然的玄妙。在最微观的层面，这项机理的发现把传热学从宏观尺度、微观尺度进一步带到了量子尺度；而在最宏观的层面，宇宙里的一些大尺度传热可能也和这种机理有关。

岂论是实际应用还是科学研究，真空声子传热都将为我们开启全新的大门。

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参考

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