Ученые провели наномасштабный эксперимент, в котором опровергли один из основополагающих законов современной физики. Результаты исследования могут изменить наше понимание передачи энергии.

Закон излучения Планка был в центре интенсивных испытаний на протяжении почти целого века. Однако в результате нового анализа ученые обнаружили, что он не работает на самых малых масштабах. Пока не ясно, что именно это значит для науки, но обычно, когда законы перестают работать, можно ожидать новых открытий. Это окажет влияние не только на атомную физику, но и на всю науку в целом, включая формирование планет и климатические модели. Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Этот фундаментальный закон квантовой физики недавно испытали исследователи из Мичиганского университета и Колледжа Вильгельма и Марии, которые решили выяснить, сможет ли вековой закон описать тепловое излучение наномасштабных объектов.

Закон не просто не сработал: результаты эксперимента превысили предсказанное число в 100 раз. Следовательно, наномасштабные объекты способны излучать и поглощать тепло намного эффективнее, чем могут объяснить существующие модели.

«В физике всегда так. Важно измерять что-либо экспериментально, но нужно и непосредственно понимать, что происходит», — рассказывает Мумтаз Казилбаш, физик из Колледжа Вильгельма и Марии.

Исследование радиационной передачи тепла между субволновыми структурами / © William and Mary / University of Michigan

Физики, хорошо знакомые с динамикой электромагнетизма, прекрасно понимают, что странности в так называемом ближнем поле — обычное дело. С одной стороны, соотношение между электрическим и магнитным аспектами электромагнитного поля становятся сложнее в свете этого открытия.

То, как именно это повлияет на взаимодействие нагреваемых объектов, уже исследовали раннее. Тогда ученые установили большие различия в том, как, согласно Планку, тепло распространяется в ближнем поле по отношению с дальним полем. Однако это имеет значение, только если разрыв ограничен расстоянием меньше длины волны испущенного излучения. Что можно сказать о размерах самих объектов?

Перед исследователями стояла непростая задача. Им потребовалось спроектировать объекты размером меньше 10 микронов (приблизительная длина волны в инфракрасном свете). Ученые использовали две мембраны из нитрида кремния толщиной в полмикрона, разделенные расстоянием, достаточным для того, чтобы считаться дальним полем. Нагрев одной и измерение другой позволили протестировать закон Планка с достаточно высокой степенью точности.

«Закон излучения Планка говорит, что если вы примените идеи, сформулированные им, к двум объектам, то получите определенную степень передачи энергии между ними, — объясняет Казилбаш. — Мы экспериментально наблюдали, что эта степень в 100 раз превышает показатели, предсказанные законом Планка, если объекты крайне малы».

Казилбаш сравнивает это с ударами по гитарной струне в разных местах по ее длине:

«Если вы будете дергать ее в тех местах, она будет эффективнее резонировать на определенных длинах волн».

Эта аналогия хорошо подходит для визуализации феномена, но точное понимание физики проведенного эксперимента может иметь серьезные последствия — и не только для нанотехнологий. Такая сверхэффективная степень передачи энергии может сильно изменить наше понимание передачи тепла в атмосфере или в остывании тела размером с планету.