Закон Планка опровергнут на наноуровне 06.08.2009

Хорошо обоснованный физический закон описывает передачу тепла между двумя объектами, но некоторые физики давно предсказывали, что он должен быть нарушен, когда объекты находятся очень близко друг другу. Учёные не могли подтвердить или измерить это расхождение на практике. Впервые исследователи из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) добились этого и определили, что тепло может передаваться в 1000 раз интенсивнее, чем предсказывал закон. Новые данные могут привести к появлению важных новаций, включая улучшенную конструкцию записывающих головок жёстких дисков, используемых в накопителях, и новых видов устройств, запасающих энергию тепла, которая в ином случае просто теряется.

Закон излучения чёрного тела, сформулированный в 1900 г. немецким физиком Максом Планком (Max Planck), описывает, как энергия рассеивается в виде волн различной длины от идеального неотражающего чёрного объекта, чёрного тела. Закон говорит, что относительное тепловое излучение с различными длинами волн зависит от температуры объекта. Излучение от чёрного тела обычно рассматривается как максимально возможное.

Этот закон работает достоверно в большинстве случаев, однако Планк сам предположил, что на очень близком расстоянии между объектами его закон может быть нарушен. Но в действительности контроль объектов для поддержания крошечного зазора для демонстрации этого феномена оказался крайне сложным занятием. «Планк был очень осторожен, говоря, что его теория справедлива для больших систем, – говорит Ганг Чен (Gang Chen), профессор энергетики из MIT. – Так он предвосхищал это открытие".

Часть проблем в измерении распространения выделяемой энергии, когда объекты очень близко расположены, заключается в том, что механически очень трудно удерживать между объектами минимальный зазор, не допуская их соприкосновений. Чен и его команда учёных решили эту проблему двояко. Первое – вместо использования двух плоских поверхностей и контролирования зазора между ними, они использовали плоскую поверхность вместе с маленькой стеклянной бусиной, чье положение гораздо легче контролировать. «Если мы используем две параллельные поверхности, очень сложно поддерживать нанозазор без перекосов, – объясняет Чен. – Используя бусину, мы должны контролировать только одну, наиболее близкую точку её поверхности». И второе: они использовали биметаллический кантилевер от атомно-силового микроскопа для измерения изменений температуры с высокой точностью.

«Мы много лет пытались сделать это с параллельными пластинами», – говорит Чен. Но тем методом они не могли удерживать зазор меньше одного микрона. Используя стеклянную бусину, они смогли установить зазор величиной не более 10 нм, а в настоящее время они работают над дальнейшим сокращением пространства между объектами. Профессор сэр Джон Пендри (John Pendry) из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London), который проделал большую работу в этой области, назвал результаты очень интересными, отметив, что теоретики уже давно предсказывали такое поведение и активацию более мощного механизма. «Экспериментальное подтверждение оказалось труднодостижимым из-за значительной сложности измерения температурных перепадов на малых расстояниях, – говорит Пендри. – Эксперимент Чена предлагает красивое решение этой трудности и подтверждает основной вклад эффекта ближнего поля на передачу тепла».

В сегодняшних магнитных системах записи данных, таких как жёсткие диски, расстояние между записывающей головкой и поверхностью диска находится в диапазоне 5…6 мкм. Головка имеет склонность к нагреву, и исследователи находятся в поиске способа управления температурой или даже использования нагревания для изменения зазора. «Это важный вопрос для магнитных накопителей, – говорит Чен. – Механизм использования эффекта в этой области может быть разработан довольно быстро, и некоторые компании уже выразили свой интерес к этой работе».

Полученные данные могут также помочь в разработке новых фотогальванических устройств для сбора фотонов, выделяемых источниками тепла, называемых термофотогальваниками, – утверждают учёные. Сильный фотонный поток может потенциально позволить достичь более высокой эффективности и энергоемкости термогальванических преобразователей энергии и создать новые устройства преобразования энергии.

Однако будущие исследования требуют достижения ещё меньших зазоров, поскольку учёные ещё не определили точно, где находится предел количества тепла, которое может быть выделено в близко расположенных системах. «Существующая теория не будет справедливой, как только мы опустимся за 1 нм», – объясняет Чен. Соответственно, такие эксперименты могут предоставить полезный инструмент для понимания некоторых основ физики.

Эта работа была проведена при поддержке Департамента энергетики США (U.S. Department of Energy) и Управления научных исследований военно-воздушных сил (Air Force Office of Scientific Research).

Massachusetts Institute of Technology, MIT