Una stranezza della meccanica quantistica: l’energia termica salta attraverso lo spazio vuoto

Un thermos isolato sotto vuoto aiuta a mantenere caldo il tuo caffè, questo perché l’energia termica fa fatica a muoversi attraverso lo spazio vuoto. Le vibrazioni di atomi o molecole, che trasportano energia termica, semplicemente non possono viaggiare se non ci sono atomi o molecole intorno.

Ma un nuovo studio condotto da ricercatori dell’Università della California, Berkeley, mostra come la stranezza della meccanica quantistica possa capovolgere anche questo principio di base della fisica classica.

Lo studio, pubblicato questa settimana sulla rivista Nature, dimostra che l’energia termica può saltare attraverso alcune centinaia di nanometri nel vuoto completo, grazie a un fenomeno meccanico quantistico chiamato interazione di Casimir.

Energia termica e interazione di Casimir

Sebbene questa interazione sia significativa solo su distanze brevissime, potrebbe avere profonde implicazioni per la progettazione di chip di computer e altri componenti elettronici su nanoscala in cui la dissipazione del calore è fondamentale.

Si tratta di un concetto che ribalta ciò che molti di noi hanno imparato sul trasferimento di calore studiando fisica alle scuole superiori.

“Il calore viene solitamente condotto in un solido attraverso le vibrazioni di atomi o molecole, o i cosiddetti fononi, ma nel vuoto non esiste alcun mezzo fisico. Quindi, per molti anni, i libri di testo ci hanno detto che i fononi non possono viaggiare attraverso il vuoto“, ha detto Xiang Zhang, professore di ingegneria meccanica alla UC Berkeley che ha guidato lo studio.

“Ciò che abbiamo scoperto, sorprendentemente, è che i fononi possono davvero essere trasferiti attraverso un vuoto da fluttuazioni quantistiche invisibili“.

Nell’esperimento, il team di Zhang ha posizionato due membrane di nitruro di silicio rivestite in oro a poche centinaia di nanometri di distanza tra loro all’interno di una camera a vuoto. Quando hanno riscaldato una delle membrane, anche l’altra si è riscaldata, anche se non c’era nulla che collegasse le due membrane.

“Questa scoperta di un nuovo meccanismo di trasferimento del calore apre opportunità senza precedenti per la gestione termica su scala nanometrica, che è importante per il calcolo ad alta velocità e la memorizzazione dei dati“, ha dichiarato Hao-Kun Li, ex Ph.D. studente nel gruppo di Zhang e co-primo autore dello studio. “Ora possiamo progettare il vuoto quantico per estrarre il calore nei circuiti integrati“

L’impresa apparentemente impossibile di spostare le vibrazioni molecolari attraverso un vuoto può essere realizzata perché, secondo la meccanica quantistica, non esiste uno spazio veramente vuoto, ha detto Yan Fong, uno studioso post dottorato presso l’UC Berkeley e l’altro primo autore dello studio.

“Anche se hai spazio vuoto – non importa, senza luce – la meccanica quantistica afferma che non può essere veramente vuoto. Ci sono ancora alcune fluttuazioni quantistiche di campo nel vuoto“, ha detto Fong. “Queste fluttuazioni danno origine a una forza che collega due oggetti, che si chiama interazione di Casimir. Quindi, quando un oggetto si riscalda e inizia a tremare e oscillare, quel movimento può effettivamente essere trasmesso all’altro oggetto attraverso il vuoto a causa di questi fluttuazioni quantistiche“.

Sebbene i teorici abbiano a lungo ipotizzato che l’interazione di Casimir possa aiutare le vibrazioni molecolari a viaggiare attraverso lo spazio vuoto, dimostrarlo sperimentalmente è stata una grande sfida. Per fare ciò, il team ha progettato membrane di nitruro di silicio estremamente sottili, che hanno fabbricato in una stanza pulita e priva di polvere, e quindi hanno ideato un modo per controllare e monitorare con precisione la loro temperatura.

Hanno scoperto che, selezionando accuratamente le dimensioni e il design delle membrane, potevano trasferire l’energia termica attraverso alcune centinaia di nanometri di vuoto. Questa distanza era abbastanza grande da rendere trascurabili altre possibili modalità di trasferimento del calore, come l’energia trasportata dalle radiazioni elettromagnetiche, che è il modo in cui l’energia del sole riscalda la Terra.

Poiché le vibrazioni molecolari sono anche la base dei suoni che ascoltiamo, questa scoperta suggerisce che anche i suoni possono viaggiare attraverso il vuoto, ha detto Zhang.

“Venticinque anni fa, durante il mio esame di dottorato a Berkeley, un professore mi ha chiesto ‘Perché riesci a sentire la mia voce attraverso questo tavolo?’ Risposi: “È perché il tuo suono viaggia vibrando molecole nell’aria“. Inoltre chiese: “E se aspirassimo tutte le molecole d’aria fuori da questa stanza? Potresti ancora sentirmi?” Dissi: “No, perché non c’è alcun mezzo che trasmetta le vibrazioni”, ha detto Zhang. “Oggi, quello che abbiamo scoperto è una nuova sorprendente modalità di conduzione del calore attraverso un vuoto senza un mezzo, che è ottenuta dalle intriganti fluttuazioni del vuoto quantistico. Quindi, ho sbagliato nel mio esame del 1994. Ora, possiamo anche gridare attraverso il vuoto“.