Солнце нагревает Землю, посылая тепло через просторы космоса. А как оно передается на крошечных расстояниях? Физика теплопередачи в наномире полна неожиданностей. Оказывается, острый металлический наконечник излучает тепло с гораздо большей скоростью, чем обычно, если его поднести к холодной металлической поверхности на расстояние всего в несколько атомов

Тепло между двумя объектами может передаваться с помощью проводимости, конвекции и излучения. При конвекции для переноса тепла нужна среда, например, воздух, при излучении переносчиками тепла служат электромагнитные волны, которые могут распространяться и в вакууме. Проводимость наблюдается только при непосредственном контакте с объектом, когда быстро вибрирующие атомы в нагретом теле раскачивают более медленные атомы холодного тела. Ученые описывают этот процесс как перенос фононов (квантов вибрации). Казалось бы, он не может наблюдаться между разделенными объектами, вакуум должен быть запретной зоной для фононов. Однако результаты эксперимента Игоря Альтфедера (Igor Altfeder) из Огайо (the Air Force Research Laboratory at Wright-Patterson Air Force Base in Ohio), который ученый провел вместе с коллегами, противоречат теоретическим предсказаниям.

В условиях высокого вакуума они подносили наконечник из платины и иридия при температуре 275 градусов Кельвина на очень близкое расстояние – всего 0.3 нанометра – к золотой поверхности, охлажденной до 210 градусов Кельвина, затем до 150 и до 90. Для измерения температур нанообъектов ученые использовали сканирующую туннельную микроскопию. (При этом между наконечником и поверхностью устанавливают разность напряжений и регистрируют ток, создаваемый электронами, перепрыгивающими через дыру. На эти электроны действуют температурные вибрации в материале, поэтому по величине тока можно судить о температуре, в частности, последнего атома или молекулы на наконечнике.) Оказалось, что молекула окиси углерода (CO) на острие наконечника, имела такую же температуру, что и поверхность, отделенная от нее вакуумной щелью. Это говорит о том, что тепло с острия передается с огромной скоростью. Как посчитали авторы, молекула CO передавала тепло в 1010 раз быстрее, чем это должно было быть при обычном излучении тепла через вакуум.

Что же происходит при передаче тепла через узкую вакуумную щель? Тепло передается с помощью флуктуаций электрических полей, которые раскачивают электроны на поверхности. Ученые назвали этот процесс «туннелированием фононов», когда квантованные (дискретные) вибрации молекул (фононы) перескакивают через запрещенную вакуумную дыру.

Авторы подчеркивают, что результаты исследования необходимо учитывать при разработке приборов наноэлектроники и устройств, работа которых основана на температурных градиентах.

Автор: Ольга Баклицкая