Apabila anda menyentuh permukaan panas, anda merasakan pergerakan. Sekiranya anda menekan tangan anda ke atas cawan teh, kehangatan merebak melalui jari anda. Itulah sensasi berbilion-bilion atom yang terhantuk. Getaran kecil membawa tenaga terma dari air ke cawan dan kemudian ke dalam kulit anda sebagai satu molekul mengetuk ke dalam seterusnya, menghantarnya menjadi sepertiga - dan sebagainya di bawah garis.
Haba juga boleh menyeberangi ruang sebagai gelombang radiasi, tetapi tanpa sinaran, ia memerlukan bahan untuk dilalui - molekul untuk menyerap ke dalam molekul lain. Vacuums tidak mempunyai "barangan" di dalamnya, jadi mereka cenderung untuk memerangkap haba. Di orbit bumi, sebagai contoh, salah satu cabaran kejuruteraan terbesar adalah mencari cara untuk menyejukkan kapal roket.
Tetapi sekarang, penyelidik telah menunjukkan bahawa, pada skala mikroskopik, ini tidak benar. Dalam makalah baru yang disiarkan pada 11 Disember di jurnal Nature, ahli fizik menunjukkan bahawa getaran haba sedikit boleh menyeberangi beratus-ratus nanometer ruang kosong. Percubaan mereka mengeksploitasi satu ciri yang luar biasa dari vakum kuantum: Ia tidak benar-benar kosong sama sekali.
"Kami menunjukkan bahawa dua objek dapat 'bercakap' antara satu sama lain di seberang ruang kosong, sebagai contoh, ratusan nanometer," kata Hao-Kun Li, pengarang utama penyelidikan. Li adalah seorang ahli fizik di Universiti Stanford yang bekerja pada penyelidikan ini semasa beliau menjadi pelajar kedoktoran di University of California, Berkeley.
Beratus nanometer adalah ruang yang sangat kecil dalam segi manusia - beberapa ribu milimeter, atau sedikit lebih besar daripada virus biasa. Tetapi itu masih terlalu besar jurang untuk menyeberang panas, sekurang-kurangnya mengikut model pemindahan haba yang mudah.
Pada tahun 2011, penyelidik mula membuat spekulasi bahawa vakum kuantum itu sendiri mungkin dapat membawa getaran haba molekul. Satu kertas yang diterbitkan dalam jurnal Applied Physics Letters menegaskan bahawa, dalam fizik kuantum, vakum difahami sebagai tempat yang bergolak dengan tenaga. Perubahan turun naik secara rawak dari bahan dan tenaga muncul menjadi dan kemudian hilang, umumnya pada skala yang jauh lebih kecil daripada yang dapat dibayangkan orang.
Mereka turun naik adalah huru-hara dan tidak dapat diramalkan. Tetapi mereka boleh bertindak seperti batu loncatan untuk membawa gelombang haba - dalam bentuk pengujaan kuantum yang dikenali sebagai fonon - merentasi jurang. Sekiranya anda adalah satu penetapan phonon untuk merentasi jurang yang luas, katakan, beberapa inci, kemungkinan turun naik yang betul yang berlaku dalam susunan yang betul untuk mendapatkan anda di seberang akan sangat rendah sehingga usaha itu tidak sia-sia.
Tetapi mengecut skala, para penyelidik menunjukkan, dan peluang bertambah baik. Pada kira-kira 5 nanometer, hopscotch kuantum yang aneh ini akan menjadi cara yang dominan untuk memindahkan haba ke ruang kosong - melampaui radiasi elektromagnetik, yang sebelum ini dianggap satu-satunya cara untuk menyeberangkan vakum.
Namun, para penyelidik meramalkan kesan itu akan menjadi signifikan hanya sehingga skala kira-kira 10 nanometer. Tetapi melihat apa-apa pada skala 10-nanometer adalah sukar.
"Apabila kami merancang percubaan, kami sedar ini tidak dapat dilakukan dengan mudah," kata Li kepada Live Science.
Sekalipun kesannya berlaku, skala spatial sangat kecil sehingga tidak ada cara yang baik untuk mengukurnya secara konklusif. Untuk menghasilkan pemerhatian langsung pertama menyeberangi haba, vakum ahli fizik UC Berkeley menggambarkan bagaimana cara meningkatkan skala eksperimen.
"Kami merancang satu eksperimen yang menggunakan membran mekanikal yang sangat lembut," bererti mereka sangat elastik, atau licin, kata Li.
Jika anda memetik rentetan gitar keluli tegar, dia menjelaskan, getaran yang dihasilkan akan lebih kecil daripada yang anda lihat jika anda memetik tali nilon nikel yang lebih elastik dengan kekuatan yang sama. Perkara yang sama berlaku pada nanoscale dalam eksperimen: Mereka membran ultra-elastik membolehkan para penyelidik untuk melihat getaran haba kecil yang sebaliknya tidak akan dapat dilihat. Dengan berhati-hati memantulkan cahaya membran tersebut, para penyelidik dapat melihat fonon haba yang melintas jurang masih minuscule.
Di jalan raya, Li berkata, kerja ini mungkin berguna - sama ada untuk membina komputer biasa dan pereka kuantum-komputer.
Masalah utama dalam membina mikrocip yang lebih baik dan lebih cepat adalah memikirkan cara menyebarkan haba dari litar berkumpul ke ruang kecil, kata Li.
"Penemuan kami sebenarnya membayangkan bahawa anda boleh membuat kejuruteraan vakum untuk menghilangkan haba dari cip komputer atau peranti nanoscale," katanya.
Sekiranya anda menyesuaikan vakum dengan betul membentuknya dengan bahan yang betul, ia mungkin - jauh di masa depan - menjadi lebih berkesan untuk menarik haba daripada cip daripada mana-mana medium sedia ada, katanya.
Teknik-teknik yang digunakan para penyelidik juga boleh digunakan untuk mengatasi fonon - getaran itu sendiri - merentasi membran yang berbeza. Itu akan menghubungkan fonon pada tahap kuantum dengan cara yang sama fizik kuantum sudah menghubungkan foton, atau zarah cahaya, yang dipisahkan dalam ruang. Setelah dihubungkan, fonon boleh digunakan untuk menyimpan dan memindahkan maklumat kuantum, berfungsi sebagai "qubit mekanik" dari komputer kuantum hipotesis. Dan sekali gus disejukkan, katanya, fonon harus lebih cekap pada penyimpanan data jangka panjang daripada qubit tradisional.
