Обнаружено туннелирование фононов через вакуум

Отметим, что в данном контексте речь идет не о передаче тепла посредством излучения.

Ученые из Исследовательской лаборатории ВВС США в Огайо обнаружили, что тепло может передаваться через нанометровую вакуумную щель, что ранее считалось невозможным. Это происходило за счет туннелирования фононов, квантов тепловых колебаний, через запрещенную зону. Открытие может оказаться важным для совершенствования термоэлектрических устройств и нанометровых электронных цепей будущего.

В обычном случае тепло может передаваться от одного объекта к другому только при их контакте. При этом фононы передаются от более теплого объекта к более холодному. Вплоть до недавнего времени такая передача считалась неосуществимой между несоприкасающимися телами в вакууме, поскольку последний является запрещенной зоной для фононов.

Команда из США опровергла это положение посредством прямого измерения теплового потока между платиноиридиевым зондом сканирующего туннельного микроскопа, который имел комнатную температуру, и поверхностью золотого образца, охлажденной до 90, 150 или 210 К. Щель между двумя объектами имела ширину 0,3 нм.

Исследователи обнаружили, что тепловая энергия, передаваемая через щель, превышала радиационное излучение Планка в с²/v² = 10¹⁰ раз (с – скорость света в вакууме, v – скорость звука). Согласно их измерениям, это означает, что последний атом на конце зонда рассеивает тепло в 10¹⁰ быстрее, чем обычно посредством генерации фононов внутри золота. И в противоположность более ранним гипотезам передача тепла происходит не благодаря излучению зонда.

Этот результат был получен посредством приложения серии значений напряжения между «горячим» зондом и холодной поверхностью образца. Исследователи записывали ток, проходящий через щель. Поскольку тепловые колебания непосредственно воздействуют на электроны в обоих материалах, значения тока может быть использовано для вычисления температуры острия зонда. «Тот факт, что эта температура почти совпадает с температурой образца, говорит нам, что энергия передается от зонда с необычной скоростью», - говорит Игорь Альтфедер, глава группы.

По мнению исследователей, туннелирование фононов вызывается электрическими полями между двумя объектами. Эти электрические поля, которые возникают благодаря разным рабочим функциям материалов зонда и образца, приводят к тому, что зонд микроскопа и его зеркальный заряд внутри образца колеблются в унисон. Другими словами, электрические поля на острии зонда заставляют электроны в верхнем слое золота колебаться с той же частотой.