Fluttuazioni quantistiche creano riscaldamento fononico nel vuoto

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Un nuovo modo per trasferire calore nel vuoto. Esperimenti alle nanoscale mostrano che i bizzarri effetti della meccanica quantistica possono trasferire calore tra  oggetti separati da spazio vuoto, senza la mediazione della radiazione elettromagnetica.

Nei primi anni di vita, la maggior parte dei bambini impara che toccando una stufa rovente o anche stando vicino a un fuoco scoppiettante si può ustionare. Indipendentemente dal fatto che vengano trasmesse con il contatto diretto o con raggi di luce che attraversano lo spazio, le lezioni spesso dolorose del trasferimento di calore sono tanto intuitive quanto indimenticabili. Ora, però, alcuni scienziati hanno rivelato uno strano nuovo modo con cui il calore può trasferirsi da un punto A a un punto B. Grazie alle bizzarre proprietà quanto-meccaniche dello spazio vuoto, il calore può viaggiare da un luogo a un altro senza l’ausilio di luce.

Illustrazione di fluttuazioni quantistiche del vuoto (Ahmed Neutron - CC0) 
Illustrazione di fluttuazioni quantistiche del vuoto (Ahmed Neutron – CC0)

In generale, il calore è l’energia che deriva dai movimenti delle particelle: quanto più si muovono velocemente, tanto più sono calde. Su scale cosmiche, la maggior parte del trasferimento di calore avviene nel vuoto tramite i fotoni, le particelle di luce, emesse dalle stelle: è così che il Sole riscalda il nostro pianeta nonostante sia distante da noi circa 150 milioni di chilometri. Qui sulla Terra, il flusso di calore è spesso più intimo, poiché avviene tramite il contatto diretto tra i materiali ed è aiutato dalle vibrazioni collettive di atomi, simili a onde e conosciute come fononi.

Per molto tempo si è pensato che i fononi non potessero trasferire energia termica attraverso lo spazio vuoto: l’idea era che fosse necessario che due oggetti si toccassero o, almeno, fossero in reciproco contatto con un mezzo adatto come l’aria. È così che i thermos mantengono il loro contenuto caldo o freddo: sfruttano un’intercapedine vuota per isolare il recipiente interno. Eppure gli scienziati hanno speculato per anni sulla possibilità che i fononi potessero traferire calore attraverso il vuoto, incantati dal fatto sbalorditivo che la meccanica quantistica impone che lo spazio non possa mai essere veramente vuoto.

La meccanica quantistica prevede che l’universo sia intrinsecamente sfocato: per esempio, per quanto ci si sforzi, non si può mai determinare allo stesso tempo la posizione e la quantità di moto di una particella subatomica. Una conseguenza di questa incertezza è che il vuoto non è mai completamente vuoto, ma al contrario brulica di fluttuazioni quantistiche, dovute alle cosiddette particelle virtuali che compaiono e scompaiono incessantemente. “Il vuoto non è mai completamente vuoto”, afferma Xiang Zhang, fisico dell’Università della California a Berkeley,  autore senior del nuovo studio sul trasferimento di calore fononico, pubblicato su “Nature”.

Decenni fa, gli scienziati hanno scoperto che le particelle virtuali non sono solo possibilità teoriche, ma possono generare forze rilevabili. Per esempio, l’effetto Casimir è una forza attrattiva che si osserva tra alcuni oggetti in prossimità, come due specchi posti vicini tra loro nel vuoto. Queste superfici riflettenti si muovono a causa della forza generata dai fotoni virtuali che compaiono e scompaiono.

Se queste effimere fluttuazioni quantistiche potessero dare origine a forze reali, argomentavano i fisici teorici, forse potrebbero anche fare altre cose, come trasferire calore senza radiazione termica. Per immaginare come potrebbe funzionare il riscaldamento fononico tramite fluttuazioni quantistiche, è sufficiente immaginare due oggetti con temperature diverse separati l’uno dall’altro da uno spazio vuoto. I fononi nell’oggetto più caldo potrebbero impartire energia termica ai fotoni virtuali nel vuoto, che potrebbero quindi trasferire questa energia all’oggetto più freddo. Considerato che entrambi gli oggetti sono essenzialmente insiemi di atomi oscillanti, le particelle virtuali potrebbero agire come molle che consentono di trasportare le vibrazioni dall’uno all’altro.

La questione se le fluttuazioni quantistiche possano davvero aiutare i fononi a trasferire il calore attraverso il vuoto “era stata discussa dai teorici per circa un decennio, a volte con stime drasticamente diverse per la forza dell’effetto: i calcoli sono piuttosto complicati”, afferma il fisico John Pendry dell’Imperial College di Londra, che non ha partecipato a questo studio. In generale, questo lavoro precedente prevedeva che i ricercatori potessero osservare l’effetto tra oggetti separati solo da pochi nanometri (miliardesimi di metro) o meno, spiega. A distanze così ridotte, le interazioni elettriche o altri fenomeni tra gli oggetti alle nanoscale potrebbero facilmente oscurare questo effetto fononico, dice Pendry, rendendolo molto difficile da verificare.

Per affrontare questa sfida, Zhang e colleghi hanno trascorso quattro anni di scrupolosi tentativi ed errori nella realizzazione e nel perfezionamento di esperimenti per vedere se potevano ottenere il trasferimento di calore fononico nel vuoto su grandi distanze, su una scala di centinaia di nanometri. Per esempio, gli esperimenti hanno usato due membrane di nitruro di silicio, ciascuna dello spessore di circa 100 nanometri. La natura straordinariamente sottile e leggera di questi fogli rende più facile verificare quando l’energia di uno ha effetto sui movimenti dell’altro. Gli atomi vibranti nei fogli fanno flettere ogni membrana avanti e indietro a frequenze che dipendono dalla loro temperatura.

Il gruppo di Zhang ha intuito che se i fogli avessero avuto le stesse dimensioni ma temperature differenti tra loro, avrebbero oscillato a frequenze diverse. Con tutti questi dettagli in mente, gli scienziati hanno calibrato le dimensioni delle membrane in modo che, anche se partivano con temperature diverse (13,85 e 39,35 gradi Celsius, rispettivamente) avrebbero vibrato entrambi circa 191.600 volte al secondo. Due oggetti che risuonano alla stessa frequenza tendono a scambiare energia in modo efficiente: un noto esempio di risonanza è quando una cantante o un cantante d’opera emette la nota giusta per far risuonare e frantumare un bicchiere di champagne.

Inoltre, i ricercatori si sono assicurati che le membrane fossero, entro pochi nanometri, perfettamente parallele tra loro: il tutto per poter misurare con precisione le forze che una membrana avrebbe potuto esercitare sull’altra. Hanno anche fatto in modo che le membrane fossero estremamente lisce, con variazioni di superficie non superiori a 1,5 nanometri. Vincolata a una superficie in una camera a vuoto, una membrana sarebbe stata accoppiata a un dispositivo di riscaldamento, l’altra sarebbe stata collegata a uno di raffreddamento. Entrambi sarebbero state ricoperte da uno strato d’oro di spessore impalpabile per ottenere riflettività e colpite da deboli raggi laser per rilevare le loro oscillazioni, quindi la loro temperatura. Prova dopo prova, gli scienziati hanno verificato che le membrane non scambiassero calore tramite la superficie su cui erano fissate o tramite qualsiasi emissione di luce visibile o altra radiazione elettromagnetica nel vuoto.

“Questo esperimento ha richiesto un controllo molto accurato di temperatura, distanza e allineamento”, afferma Zhang. “Una volta, in estate, abbiamo avuto problemi nell’esecuzione dell’esperimento a causa del caldo che riscaldava il laboratorio. Inoltre, la misurazione stessa richiede molto tempo per eliminare il rumore: occorrono quattro ore di tempo per ottenere ogni dato.

Alla fine, Zhang e colleghi hanno scoperto che quando le membrane erano separate da meno di 600 nanometri, iniziavano a mostrare variazioni inspiegabili di temperatura. Al di sotto di 400 nanometri, il tasso di scambio termico era sufficiente affinché le membrane avessero una temperatura quasi identica, dimostrando l’efficienza dell’effetto (o la sua mancanza). Con questi risultati positivi in mano, i ricercatori sono stati in grado di calcolare il tasso massimo di energia trasferito dai fononi attraverso il vuoto: si tratta di circa 6,5 × 10^–21 joule al secondo. A quel ritmo, occorrerebbero circa 50 secondi per trasferire la quantità di energia di un fotone di luce visibile. Quel dato può sembrare irrisorio, ma Zhang sottolinea che rappresenta ugualmente “un nuovo meccanismo di come il calore viene trasferito tra gli oggetti”.

“È bello vedere alcuni dati sperimentali che confermano che i fononi possono superare le distanze”, afferma Pendry. “Questo è un grande esperimento, il primo, credo.”

In linea di principio, persino le stelle potrebbero riscaldare i loro pianeti con questo nuovo meccanismo. Ma date le distanze coinvolte, l’entità di questo effetto sarebbe “estremamente piccola”, al punto da essere insignificante, dice Zhang.

In termini più applicativi, poiché l’elettronica diventa sempre più piccola in tutto, dagli smartphone ai computer portatili, questi risultati potrebbero permettere agli ingegneri di gestire meglio il calore nelle tecnologie su scala nanometrica. “Per esempio, nei dischi rigidi, la testina magnetica  di lettura e scrittura si sposta sopra la superficie del disco con una separazione di appena tre nanometri”, afferma Zhang. “A così breve distanza, il nuovo effetto di trasferimento di calore dovrebbe svolgere un ruolo significativo e quindi dovrebbe essere considerato nella progettazione di dispositivi di registrazione magnetica”.

Zhang nota che le fluttuazioni quantistiche non includono solo i fotoni virtuali. Ci sono molti altri tipi di particelle virtuali, tra cui gravitoni virtuali o pacchetti di energia gravitazionale. “Se le fluttuazioni quantistiche dei campi gravitazionali possano dare origine a un meccanismo di trasferimento del calore che svolge un ruolo sulle scale cosmologiche è una questione aperta interessante”, afferma Zhang.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” l’11 dicembre 2019. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)

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