Når du berører en varm overflate, føler du bevegelse. Hvis du trykker hånden mot et krus med te, sprer varme seg gjennom fingrene. Det er følelsen av at milliarder av atomer banker sammen. Små vibrasjoner fører termisk energi fra vannet til kruset og deretter inn i huden din når det ene molekylet banker inn i det neste, og sender det pleie inn i en tredje - og så videre nedover linjen.
Varme kan også krysse verdensrommet som bølger av stråling, men uten stråling trenger den ting å passere gjennom - molekyler for å banke inn i andre molekyler. Vakuum har ingen "ting" i seg, så de har en tendens til å felle varme. I Jordens bane, for eksempel, er en av de største tekniske utfordringene å finne ut hvordan man kjøler ned et rakettskip.
Men nå har forskere vist at dette på mikroskopiske skalaer ikke virkelig er sant. I en ny artikkel publisert 11. desember i tidsskriftet Nature, viste fysikere at lite vibrasjoner av varme kan krysse hundrevis av nanometer med tom plass. Eksperimentet deres utnyttet et uhyggelig trekk ved kvantevakuumet: Det er ikke egentlig tomt i det hele tatt.
"Vi viste at to objekter er i stand til å 'snakke' med hverandre på et tomt område av for eksempel hundrevis av nanometer," sa Hao-Kun Li, medleder for studien. Li er fysiker ved Stanford University som arbeidet med denne forskningen mens han var doktorgradsstudent ved University of California, Berkeley.
Hundrevis av nanometer er et uendelig rom i menneskelige termer - noen tusendels millimeter, eller litt større enn et typisk virus. Men det er fremdeles et altfor stort gap for varme å krysse, i hvert fall i henhold til de enkle modellene for varmeoverføring.
I 2011 begynte forskere å spekulere i at selve kvantevakuumet kunne være i stand til å bære de molekylære vibrasjonene av varme. En artikkel publisert i tidsskriftet Applied Physics Letters påpekte at vakuumfysikken i kvantefysikk blir forstått som et sted som buldrer av energi. Tilfeldige svingninger av materie og energi dukker opp og forsvinner deretter, vanligvis på skalaer som er langt mindre enn folk kan forestille seg.
Disse svingningene er kaotiske og uforutsigbare. Men de kunne fungere som tråkk for å bære en bølge av varme - i form av en kvanteeksitasjon kjent som et fonon - over et gap. Hvis du var et fonon som hadde tenkt å krysse et bredt gap på, for eksempel, noen centimeter, ville oddsen for de rette svingningene som skjer i riktig rekkefølge for å komme deg over være så lav at forsøket ville være meningsløst.
Men krympe skalaen, viste forskerne, og oddsen forbedres. På omtrent 5 nanometer ville denne rare kvantehoppebotten bli den dominerende måten å overføre varme over tomt rom - overgå til og med elektromagnetisk stråling, som tidligere ble antatt å være den eneste måten for energi å krysse et vakuum.
Fortsatt spådde forskerne at effekten bare ville være betydelig opp til en skala på omtrent 10 nanometer. Men å se noe i en skala på 10 nanometer er vanskelig.
"Da vi designet eksperimentet, skjønte vi at dette ikke lett kan gjøres," sa Li til Live Science.
Selv om effekten skjer, er den romlige skalaen så liten at det ikke er noen god måte å måle den endelig på. For å produsere den første direkte observasjonen av varme som krysser et vakuum, regnet UC Berkeley-fysikerne ut hvordan eksperimentet skal skaleres opp.
"Vi designet et eksperiment som bruker veldig myke mekaniske membraner," noe som betyr at de er veldig elastiske eller tøyelige, sa Li.
Hvis du plukker en stiv gitarstreng av stål, forklarte han, vil de resulterende vibrasjonene være mye mindre enn de du ville sett om du plukket en mer elastisk nylongitarstreng med samme styrke. Det samme skjedde på nanoskalaen i eksperimentet: De ultraelastiske membranene tillot forskerne å se ørsmå varmevibrasjoner som ellers ikke ville vært synlige. Ved å nøye avvise lys fra membranene, var forskerne i stand til å observere fononer av varme som krysser det fortsatt minuscule gapet.
Nede på veien, sa Li, kan dette arbeidet vise seg å være nyttig - både for folk som bygger vanlige datamaskiner og for kvante-datamaskin-designere.
Et sentralt problem i å bygge bedre og raskere mikrobrikker er å finne ut hvordan man kan spre varme fra kretser gruppert i bittesmå rom, sa Li.
"Funnet vårt innebærer faktisk at du kan konstruere vakuumet for å spre varmen fra databrikker eller nanoskalaenheter," sa han.
Hvis du skulle innstille vakuumet ved å forme det riktig med riktige materialer, kan det - langt fremover - bli mer effektivt til å trekke varme fra en brikke enn noe eksisterende medium, sa han.
Teknikkene forskerne benyttet kan også brukes til å sammenfiltrere fononene - selve vibrasjonene - over forskjellige membraner. Det vil knytte fononene på kvantnivå på samme måte som kvantefysikere allerede knytter sammen fotoner, eller lyspartikler, som er atskilt i rommet. Når de ble koblet sammen, kunne fononene brukes til å lagre og overføre kvanteinformasjon, for å fungere som de "mekaniske qubits" til en hypotetisk kvantecomputer. Og når den en gang var avkjølt, sa han, skal fononene være enda mer effektive ved langtids datalagring enn tradisjonelle qubits.
