Wanneer je een heet oppervlak aanraakt, voel je beweging. Als je je hand tegen een mok thee drukt, verspreidt de warmte zich door je vingers. Dat is het gevoel van miljarden atomen die tegen elkaar bonzen. Kleine trillingen voeren thermische energie van het water naar de mok en vervolgens in je huid terwijl het ene molecuul in het volgende klopt, waardoor het in een derde stroomt - enzovoort langs de lijn.
Warmte kan ook de ruimte doorkruisen als golven van straling, maar zonder straling heeft het spullen nodig om door te gaan - moleculen om in andere moleculen te slaan. Stofzuigers bevatten geen "spullen", dus ze houden de warmte vast. In de baan van de aarde, bijvoorbeeld, is een van de grootste technische uitdagingen het uitzoeken hoe een raket te koelen.
Maar nu hebben onderzoekers aangetoond dat dit op microscopische schaal niet echt waar is. In een nieuw artikel dat op 11 december in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd, lieten natuurkundigen zien dat kleine trillingen van warmte honderden nanometers lege ruimte kunnen passeren. Hun experiment maakte gebruik van een griezelig kenmerk van het kwantumvacuüm: het is helemaal niet leeg.
'We hebben laten zien dat twee objecten met elkaar kunnen' praten 'in een lege ruimte van bijvoorbeeld honderden nanometers', zegt Hao-Kun Li, co-hoofdauteur van de studie. Li is natuurkundige aan de Stanford University en werkte aan dit onderzoek terwijl hij promoveerde aan de University of California, Berkeley.
Honderden nanometers is in menselijke termen een oneindig kleine ruimte - een paar duizendsten van een millimeter, of iets groter dan een typisch virus. Maar dat is nog steeds een veel te grote opening om warmte te overbruggen, althans volgens de eenvoudige modellen van warmteoverdracht.
In 2011 begonnen onderzoekers te speculeren dat het kwantumvacuüm zelf mogelijk de moleculaire trillingen van warmte kan dragen. Een paper gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Letters wees erop dat in de kwantumfysica het vacuüm wordt opgevat als een plek die bruist van energie. Willekeurige fluctuaties van materie en energie ontstaan en verdwijnen dan, meestal op schalen die veel kleiner zijn dan mensen zich kunnen voorstellen.
Die fluctuaties zijn chaotisch en onvoorspelbaar. Maar ze kunnen als stapstenen fungeren om een hittegolf - in de vorm van een kwantumexcitatie bekend als een fonon - over een opening te dragen. Als je een fonon was die een grote kloof van bijvoorbeeld een paar centimeter wilde overbruggen, zou de kans dat de juiste fluctuaties in de juiste volgorde plaatsvinden om je over te brengen, zo klein zijn dat het streven zinloos zou zijn.
Maar verkleinen de schaal, toonden de onderzoekers aan, en de kansen verbeteren. Met ongeveer 5 nanometer zou deze rare kwantumhinkbaan de dominante manier worden om warmte over te dragen naar de lege ruimte - zelfs beter dan elektromagnetische straling, waarvan eerder werd gedacht dat het de enige manier was waarop energie een vacuüm kon passeren.
Toch voorspelden die onderzoekers dat het effect alleen significant zou zijn tot op een schaal van ongeveer 10 nanometer. Maar alles zien op een schaal van 10 nanometer is moeilijk.
"Toen we het experiment ontwierpen, realiseerden we ons dat dit niet gemakkelijk mogelijk is", vertelde Li aan WordsSideKick.com.
Zelfs als het effect optreedt, is de ruimtelijke schaal zo klein dat er geen goede manier is om het overtuigend te meten. Om de eerste directe waarneming van warmte door een vacuüm te produceren, ontdekten de natuurkundigen van UC Berkeley hoe ze het experiment naar boven konden opschalen.
"We hebben een experiment ontworpen dat gebruikmaakt van zeer zachte mechanische membranen", wat betekent dat ze erg elastisch of rekbaar zijn, zei Li.
Als je een stijve stalen gitaarsnaar plukt, legde hij uit, zullen de resulterende trillingen veel kleiner zijn dan die je zou zien als je een meer elastische nylon gitaarsnaar met dezelfde kracht plukte. Hetzelfde gebeurde in het experiment op nanoschaal: die ultraelastische membranen lieten de onderzoekers kleine warmtetrillingen zien die anders niet zichtbaar zouden zijn geweest. Door het licht voorzichtig op die membranen te laten weerkaatsen, konden de onderzoekers de fononen van warmte waarnemen die de nog steeds minuscule opening passeerden.
Op de weg, zei Li, zou dit werk nuttig kunnen blijken te zijn - zowel voor mensen die gewone computers bouwen als voor ontwerpers van kwantumcomputers.
Een belangrijk probleem bij het bouwen van betere en snellere microchips is uitzoeken hoe warmte uit circuits geclusterd in kleine ruimtes kan worden verspreid, zei Li.
"Onze bevinding impliceert eigenlijk dat je het vacuüm zou kunnen bouwen om warmte van computerchips of nanoschaalapparaten af te voeren," zei hij.
Als je het vacuüm zou afstemmen door het op de juiste manier met de juiste materialen te vormen, zou het - in de toekomst - effectiever kunnen worden in het aftrekken van warmte van een chip dan welk bestaand medium dan ook, zei hij.
De technieken die de onderzoekers gebruikten, konden ook worden gebruikt om de fononen - de trillingen zelf - over verschillende membranen te verstrikken. Dat zou de fononen op een kwantumniveau verbinden, op dezelfde manier als kwantumfysici al fotonen, of lichtdeeltjes, verbinden die in de ruimte zijn gescheiden. Eenmaal gekoppeld, zouden de fononen kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie op te slaan en over te dragen, om te functioneren als de "mechanische qubits" van een hypothetische kwantumcomputer. En eenmaal afgekoeld, zei hij, zouden de fononen op de lange termijn gegevensopslag nog efficiënter moeten zijn dan traditionele qubits.
