Wenn Sie eine heiße Oberfläche berühren, spüren Sie Bewegung. Wenn Sie Ihre Hand gegen eine Tasse Tee drücken, breitet sich Wärme durch Ihre Finger aus. Das ist das Gefühl, dass Milliarden von Atomen zusammenschlagen. Winzige Vibrationen transportieren Wärmeenergie vom Wasser zum Becher und dann in Ihre Haut, während ein Molekül in das nächste klopft und es in ein drittes verwandelt - und so weiter.
Wärme kann den Raum auch als Strahlungswellen durchqueren, aber ohne Strahlung braucht sie Material, um hindurchzugehen - Moleküle, die in andere Moleküle schlagen. Staubsauger enthalten kein "Zeug", daher neigen sie dazu, Wärme zu speichern. In der Erdumlaufbahn besteht beispielsweise eine der größten technischen Herausforderungen darin, herauszufinden, wie ein Raketenschiff abgekühlt werden kann.
Jetzt haben Forscher gezeigt, dass dies auf mikroskopischen Skalen nicht wirklich zutrifft. In einem neuen Artikel, der am 11. Dezember in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, haben Physiker gezeigt, dass kleine Wärmeschwingungen Hunderte von Nanometern des leeren Raums durchqueren können. Ihr Experiment nutzte ein unheimliches Merkmal des Quantenvakuums: Es ist überhaupt nicht wirklich leer.
"Wir haben gezeigt, dass zwei Objekte in einem leeren Raum von beispielsweise Hunderten von Nanometern miteinander" sprechen "können", sagte Hao-Kun Li, Co-Hauptautor der Studie. Li ist ein Physiker an der Stanford University, der als Doktorand an der University of California in Berkeley an dieser Forschung gearbeitet hat.
Hunderte von Nanometern sind menschlich gesehen ein infinitesimaler Raum - einige Tausendstel Millimeter oder etwas größer als ein typisches Virus. Aber das ist immer noch eine viel zu große Lücke, als dass die Wärme überquert werden könnte, zumindest nach den einfachen Modellen der Wärmeübertragung.
Im Jahr 2011 begannen die Forscher zu spekulieren, dass das Quantenvakuum selbst die molekularen Schwingungen der Wärme tragen könnte. In einem in der Zeitschrift Applied Physics Letters veröffentlichten Artikel wurde darauf hingewiesen, dass in der Quantenphysik das Vakuum als ein Ort voller Energie verstanden wird. Zufällige Schwankungen von Materie und Energie entstehen und verschwinden dann im Allgemeinen in weit kleineren Maßstäben, als man sich vorstellen kann.
Diese Schwankungen sind chaotisch und unvorhersehbar. Aber sie könnten wie Sprungbretter wirken, um eine Hitzewelle - in Form einer als Phonon bekannten Quantenanregung - über eine Lücke zu tragen. Wenn Sie ein Phonon wären, das eine große Lücke von beispielsweise einigen Zentimetern überqueren möchte, wäre die Wahrscheinlichkeit, dass die richtigen Schwankungen in der richtigen Reihenfolge auftreten, um Sie zu vermitteln, so gering, dass das Unterfangen sinnlos wäre.
Aber verkleinern Sie die Skala, zeigten die Forscher, und die Chancen verbessern sich. Bei etwa 5 Nanometern würde dieser seltsame Quanten-Hopscotch der dominierende Weg sein, Wärme über den leeren Raum zu übertragen - und sogar die elektromagnetische Strahlung übertreffen, von der früher angenommen wurde, dass sie der einzige Weg ist, wie Energie ein Vakuum durchquert.
Dennoch sagten diese Forscher voraus, dass der Effekt nur bis zu einer Skala von etwa 10 Nanometern signifikant sein würde. Es ist jedoch schwierig, etwas im 10-Nanometer-Maßstab zu sehen.
"Als wir das Experiment entwarfen, stellten wir fest, dass dies nicht einfach möglich ist", sagte Li gegenüber Live Science.
Selbst wenn der Effekt auftritt, ist die räumliche Skala so klein, dass es keinen guten Weg gibt, sie endgültig zu messen. Um die erste direkte Beobachtung der Wärme zu erzeugen, die ein Vakuum durchquert, haben die Physiker der UC Berkeley herausgefunden, wie das Experiment hochskaliert werden kann.
"Wir haben ein Experiment entwickelt, bei dem sehr weiche mechanische Membranen verwendet werden", was bedeutet, dass sie sehr elastisch oder dehnbar sind, sagte Li.
Wenn Sie eine starre Stahlgitarrensaite zupfen, sind die resultierenden Vibrationen viel geringer als die, die Sie sehen würden, wenn Sie eine elastischere Nylongitarrensaite mit der gleichen Stärke zupfen würden. Dasselbe geschah im Experiment im Nanobereich: Mit diesen ultraelastischen Membranen konnten die Forscher winzige Wärmeschwingungen erkennen, die sonst nicht sichtbar gewesen wären. Durch vorsichtiges Abprallen des Lichts von diesen Membranen konnten die Forscher Wärmephononen beobachten, die die noch winzige Lücke überquerten.
Auf der anderen Seite, sagte Li, könnte sich diese Arbeit als nützlich erweisen - sowohl für Leute, die normale Computer bauen, als auch für Quantencomputer-Designer.
Ein Schlüsselproblem beim Bau besserer und schnellerer Mikrochips besteht darin, herauszufinden, wie Wärme aus Schaltkreisen verteilt werden kann, die in winzigen Räumen zusammengefasst sind, sagte Li.
"Unser Ergebnis impliziert tatsächlich, dass Sie das Vakuum so einstellen können, dass Wärme von Computerchips oder nanoskaligen Geräten abgeleitet wird", sagte er.
Wenn Sie das Vakuum abstimmen, indem Sie es mit den richtigen Materialien richtig formen, könnte es - weit in der Zukunft - die Wärme von einem Chip effektiver abziehen als jedes vorhandene Medium, sagte er.
Die von den Forschern verwendeten Techniken könnten auch verwendet werden, um die Phononen - die Schwingungen selbst - über verschiedene Membranen zu verwickeln. Das würde die Phononen auf Quantenebene auf die gleiche Weise verbinden, wie Quantenphysiker bereits Photonen oder Lichtteilchen verbinden, die im Raum getrennt sind. Einmal verbunden, könnten die Phononen verwendet werden, um Quanteninformationen zu speichern und zu übertragen, um als "mechanische Qubits" eines hypothetischen Quantencomputers zu fungieren. Und nach dem Abkühlen sollten die Phononen bei der langfristigen Datenspeicherung noch effizienter sein als herkömmliche Qubits.
