ปรากฏการณ์ควอนตัมนำความร้อน "กระโดด" ข้ามช่องว่างสุญญากาศ

  • 20 ธันวาคม 2019
ดวงอาทิตย์แผ่รังสีความร้อนผ่านห้วงอวกาศที่เป็นสุญญากาศได้ โดยอาศัยอนุภาคโฟตอน Image copyright NASA
คำบรรยายภาพ ดวงอาทิตย์แผ่รังสีความร้อนผ่านห้วงอวกาศที่เป็นสุญญากาศได้ โดยอาศัยอนุภาคโฟตอน

การค้นพบใหม่ ๆ ทางฟิสิกส์ อาจทำให้ตำราเรียนระดับพื้นฐานต้องมีการปรับปรุงเนื้อหาใหม่กันอีกครั้ง โดยล่าสุดนักวิจัยด้านวิศวกรรมศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตเบิร์กลีย์ (UC Berkeley)ของสหรัฐฯ พบว่าปรากฏการณ์ทางควอนตัมบางอย่าง สามารถฉีกกฎเกณฑ์ในเรื่องการถ่ายเทความร้อน ที่บรรดานักเรียนนักศึกษาเคยท่องจำกันมาลงได้อย่างสิ้นเชิง

ตามปกติแล้ว การถ่ายเทความร้อน (Heat transfer)ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็ตาม จะต้องอาศัยตัวกลางคือการสั่นของอะตอมหรือโมเลกุลต่าง ๆ เสมอ เว้นแต่การแผ่รังสีความร้อนจากแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสามารถเดินทางข้ามช่องว่างสุญญากาศได้ด้วยอนุภาคของแสงหรือโฟตอน เช่นดวงอาทิตย์แผ่รังสีความร้อนผ่านห้วงอวกาศที่ไม่มีตัวกลางและเป็นสุญญากาศได้

แต่การทดลองที่วิศวกรของ UC Berkeley จัดทำขึ้นล่าสุด อยู่ในสภาวะที่ตรงข้ามกับกฎเกณฑ์ข้างต้นทุกอย่าง โดยมีการนำแผ่นเยื่อซิลิคอนไนไตรด์เคลือบด้วยทองบาง ๆ 2 แผ่น มาตั้งให้อยู่ห่างกันราว 200-300 นาโนเมตร ในตู้ทดลองสุญญากาศ โดยแผ่นเยื่อซิลิคอนไนไตรด์ดังกล่าวไม่สามารถแผ่รังสีหรืออนุภาคโฟตอนได้

เมื่อทำให้แผ่นซิลิคอนไนไตรด์แผ่นหนึ่งสั่นไหว ซึ่งแสดงถึงการมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปรากฏว่าอีกแผ่นหนึ่งที่ตั้งอยู่ห่างออกไปก็เกิดการสั่นตามในระดับที่เสมอกันด้วย ซึ่งหมายความว่าทั้งสองแผ่นมีอุณหภูมิเท่ากันในที่สุด เปรียบเสมือนว่าพลังงานความร้อนได้ "กระโดด" ข้ามช่องว่างสุญญากาศเล็ก ๆ นั้นไปได้เอง

Image copyright UC BERKELEY
คำบรรยายภาพ แผนภาพแสดงการถ่ายเทความร้อนผ่านช่องว่างสุญญากาศที่มีความผันผวนทางควอนตัมอยู่

สิ่งที่เกิดขึ้นไม่ใช่การแผ่รังสีความร้อน (Radiation) และตรงข้ามกับหลักการของฉนวนกันความร้อนที่พบเห็นกันอยู่ในชีวิตประจำวัน เช่นการที่กระติกน้ำร้อนสามารถเก็บความร้อนไว้ได้นาน เพราะมีช่องว่างสุญญากาศห่อหุ้มอยู่โดยรอบ ทำให้ความร้อนไม่ถ่ายเทออกไปภายนอก

ศาสตราจารย์ จาง เซี่ยง ผู้นำทีมวิจัยอธิบายว่า การที่พลังงานความร้อนถูกส่งผ่านช่องว่างสุญญากาศไปได้ โดยไม่ต้องใช้วิธีแผ่รังสีความร้อนนั้น เพราะอาศัยปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่เรียกว่า "ปรากฏการณ์คาซิมีร์" (Casimir effect)

"ที่ว่างหรือภาวะสุญญากาศที่เราเห็นนั้น ไม่ได้ว่างเปล่าอย่างแท้จริง แต่เต็มไปด้วยความผันผวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดเล็กมากที่เกิดขึ้นและผันแปรไปอย่างรวดเร็วตลอดเวลา ซึ่งปรากฏการณ์ทางควอนตัมนี้สามารถมีอิทธิพลต่อวัตถุที่อยู่รอบข้างได้ โดยเคยมีการประยุกต์ใช้เพื่อขยับอนุภาคระดับนาโนในสุญญากาศได้มาแล้ว"

Image copyright UC BERKELEY
คำบรรยายภาพ ตู้สุญญากาศที่ใช้ในการทดลอง

"เราพบว่าโฟนอน (Phonon) หรือการสั่นของอะตอมที่มีลักษณะเสมือนอนุภาคตัวกลางนำความร้อน สามารถจะถ่ายเทข้ามช่องว่างสุญญากาศไปได้ ด้วยกระแสความผันผวนทางควอนตัมที่มองไม่เห็นนี้เอง"

แม้การทดลองครั้งนี้จะเป็นการส่งผ่านพลังงานความร้อนข้ามช่องว่างสุญญากาศที่เล็กจิ๋ว แต่ก็เป็นความสำเร็จที่เพียงพอจะนำไปประยุกต์ใช้จัดการระบบไหลเวียนถ่ายเทความร้อนของควอนตัมคอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กมากซึ่งจะพัฒนาขึ้นในอนาคต

ข่าวที่เกี่ยวข้อง

อ่านข่าวนี้เพิ่มเติม