张翔教授领导量子力学研究 翻转经典物理学

  港大校长张翔教授在柏克莱加州大学担任机械工程教授时带领的科研团队的最新研究显示,热能可以跨越几百纳米的完全真空空间,颠覆了经典物理学的其中一个基本概念。这对计算器芯片和其他在设计上以散热为关键考虑的纳米级电子组件,产生深远的影响,对于高速计算器和大数据存储的发展亦非常重要。研究人员从此可以开拓发展透过调控量子真空,散走集成电路中的热量。

  人们使用真空绝缘的保温瓶盛载茶或咖啡,因为我们知道这些容器是很好的绝缘体,能够保持饮品的温度。经典物理学告诉我们,热导能难以穿越真空,带热的原子或分子,如果周围没有其他原子或分子,根本无法把热能的振动传导开去。

  香港大学(港大)校长张翔教授在柏克莱加州大学担任机械工程教授时带领的科研团队的最新研究,展示了量子力学如何颠覆了经典物理学这一个基本概念。由于一种称为卡西米尔效应的量子力学现象,热能可以跨越几百纳米的完全真空空间。这项极具开创性的研究结果刚在《自然》杂志发表。

  虽然卡西米尔效应在很短的距离范围才有显著性,但这已足以对计算器芯片和其他在设计上以散热为关键考虑的纳米级电子组件,产生深远的影响,更不用说颠覆了大部份人中学时学到的传热理论。

  「热能在固体中传导通常是透过原子或分子,或所谓的声子的振动,但真空的空间没有物理介质,因此教科书多年来都告诉我们,声子不能在真空中传播。」领导研究的张翔教授表示:「令人惊讶的是,我们发现声子确实可以透过看不见的量子涨落在真空中传导。」

  实验中,张教授的团队在一个真空密室,把两片镀金氮化硅膜,分开放置于相距数百纳米的距离。两个膜中间没有任何连接,之间几乎没有光穿透,但当加热其中一个膜时,另一个的温度也变热。

  张教授团队的前博士生、研究的共同第一作者Hao-Kun Li说︰「我们发现的这种新的传热机制,为纳米级的热能应用开创了前所未有的机遇,对于高速计算器和大数据存储的发展非常重要。现在我们可以透过调控量子真空,散走集成电路中的热量。」

  柏克莱加州大学博士后研究员、研究的共同第一作者King Yan Fong说:「在一个真空环境中,分子振动可以在空间中传导,这看似不可能的情况竟然发生了,因为根据量子力学,没有一样东西叫真正的真空。」

  「即使有真空空间 — 没有光、没有物质 — 量子力学也说它不可能是完全真空,当中仍然存在一些量子场的波动。这些波动会产生一种力,把两个物体连接在一起,这就是卡西米尔效应。 因此当一件物体受热并开始摇摆和振荡时,由于这些量子涨落,这些摇摆和振荡实际上可以通过真空传递给另一个物体。」

  理论学者一直揣测,卡西米尔效应能帮助分子振动在真空中游走,但要透过实验去证明却非常艰难。研究团队用了5年时间在一个完全无尘的干净房间中制造出极薄的氮化硅膜,并设计了一种精确控制和监测其温度的方法,作出适当调控然后取得实验成果。

  团队发现,经仔细选择膜的尺寸和设计,可以在真空中将热能传导数百纳米。这个距离的长度足以撇除其他可能的传热方式,例如热辐射所携带的能量,即目前太阳传热到地球的方式。

  张教授说,由于分子振动也是我们听到声音的基础,这一发现也预示了声音也可能可以通过真空传播。

  「二十五年前,当我在柏克莱进行博士生资格考试时,一位教授问我:『为什么隔着桌子你仍能听到我的声音?』我回答说是因为声音是通过分子在空气中振动传播。他追问:『如果我们将这个房间中所有空气分子都抽走,你还能听到我说话吗?』我说不能,因为没有振动的介质。今天我们发现了一种由量子真空涨落所形成,不需要介质的新真空传热模式,结果令人惊讶。所以我在1994年的考试是答错了,其实透过真空,你可以大叫而别人能够听到。」

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