Сближение объектов до нанометровых расстояний между ними может интенсифицировать теплообмен между этими объектами. Таковы экспериментальные результаты американских физиков, которые показывают границы применимости законов излучения абсолютно черного тела.

Закон, описывающий излучение абсолютно черного тела, выведен германским физиком Максом Планком более 100 лет назад и хорошо подтверждается на практике. Закон описывает спектральную зависимость энергии равновесного излучения, испускаемой единицей поверхности абсолютно черного тела за единицу времени, от частоты и температуры. В подавляющем большинстве случаев этот закон адекватно описывает реальность, однако даже сам Планк предполагал, что при расположении обменивающихся энергией объектов на минимальных расстояниях друг от друга он может нарушаться.

Исследователи из Массачусетского технологического института и Колумбийского университета (США) продемонстрировали, что на дистанциях между объектами в несколько десятков нанометров формула Планка может терять свою силу. Ученые показали, что теплообмен может быть до 1000 раз более интенсивным, чем это предсказывает закон Планка.

Результаты исследований будут опубликованы в журнале Nano Letters (Surface Phonon Polaritons Mediated Energy Transfer between Nanoscale Gaps).

Экспериментальная установка и кривые зависимостей, полученные в экспериментах (иллюстрация авторов).

Подтвердить это на опыте оказалось далеко не так просто; американские исследователи — первые, кому удалось разработать действенную экспериментальную методику и измерить соответствующий коэффициент теплопередачи, который превысил предсказываемый теорией предел в тысячу раз.

Для того чтобы оценить энергию теплового излучения объекта, находящегося в непосредственной близости от другого тела, необходимо, разумеется, удерживать их от контакта; именно это и представляет наибольшую сложность. Авторы рассматриваемой работы решили задействовать в своих экспериментах плоскую поверхность и миниатюрную кварцевую сферу: в такой схеме контакт возможен лишь в одной точке, что упрощает задачу. При этом сдвинуть пластины на расстояние менее одного микрона так, чтобы те не касались, ученым не удалось, в то время как минимальная дистанция между сферой и поверхностью составила 10 нм. Для регистрации изменений температуры авторы использовали биметаллический кантилевер атомно-силового микроскопа.

Полученные результаты ученые объясняют влиянием поверхностных фононных поляритонов — электромагнитных волн, распространяющихся вдоль границы раздела сред.

По мнению проф. Ченя, результаты исследований могут иметь очень широкое вляние на многие технические устройства, например, магнитные запоминающие устройства — жесткие диски компьютеров. В современных моделях считывающие головки могут располагаться на расстоянии 5–6 нм от поверхности диска. Во время работы головка неизбежно нагревается, и при наличии соответствующей теоретической базы специалисты смогут разработать методы эффективного отвода и использования этого тепла.

Евгений Биргер