열 에너지는 완전한 진공상태를 통과할 수 있습니다.

이 어려운 실험을 수행하기 위해 연구팀은 먼지가 없는 깨끗한 방에서 극도로 얇은 질화규소 막을 개발한 후 진공 챔버에 가둬 놓았을 때 광학 및 전자 부품을 사용하여 막의 온도를 정밀하게 제어하고 모니터링했습니다. (UC 버클리 사진: Violet Carter)

 

고체의 열 전달은 일반적으로 전자 또는 포논으로 알려진 원자 진동을 통해 전도됩니다. 진공 상태에서 열은 오랫동안 방사선에 의해 전달되지만 매체가 없기 때문에 포논에 의해 전달되지 않는 것으로 생각되어 왔습니다.

 

최근 연구에서는 전자기장의 양자 변동이 진공을 가로질러 포논 결합을 유도하여 열 전달을 촉진할 수 있다고 예측했습니다. UC 버클리 대학의 과학자들이 실시한 조사에 따르면 양자 역학의 기이함은 고전 물리학의 기본 교리를 뒤집어 놓을 수 있음을 보여주었습니다.

카시미르 상호작용이라는 양자역학적 현상으로 인해 열 에너지는 진공의 200~300나노미터를 뛰어 넘을 수 있습니다.

이러한 상호 작용은 매우 짧은 길이 규모에서는 주목할 만하다는 사실에도 불구하고 열 분산이 필수적인 컴퓨터 칩 및 기타 나노 스케일 전자 부품 설계 시 중요합니다. 이는 또한 상당수의 우리가 고등학교에서 배운 온기의 움직임에 대해 알아낸 내용을 뒤집습니다. 

연구팀은 실험 기간 동안 실리콘 질화막의 온도를 관찰하기 위해 매우 민감한 광학 장치를 사용했습니다. (UC 버클리 사진: Violet Carter)

연구를 이끈 UC 버클리의 기계공학과 교수 샹 장(Xiang Zhang)은 "열은 일반적으로 원자나 분자 또는 소위 포논(phonon)의 진동을 통해 고체에서 전도되지만 진공 상태에서는 물리적 매질이 없습니다. 그래서 여러 해 동안 교과서에서는 포논이 진공 상태를 통과할 수 없다고 말했습니다. 놀랍게도 우리가 발견한 것은 포논이 실제로 보이지 않는 양자 요동에 의해 진공을 가로질러 전달될 수 있다는 것입니다."

 

이 연구를 위해 과학자들은 챔버 내에 금으로 코팅된 두 개의 질화규소 멤브레인을 배치했습니다. 막들 중 하나를 가열했을 때, 다른 막도 따뜻해졌다 — 비록 두 막들을 연결하는 것은 아무것도 없었고 그들 사이를 통과하는 빛 에너지는 무시할 수 있었음에도 불구하고.

 

하오 쿤 리, 장 그룹의 전 박사 과정 학생이자 연구의 공동 제1 저자는 "열 전달의 새로운 메커니즘의 이러한 발견은 고속 계산 및 데이터 저장에 중요한 나노 스케일의 열 관리에 대한 전례 없는 기회를 열어줍니다. 이제 우리는 양자 진공을 설계하여 집적 회로에서 열을 추출할 수 있습니다."

 

카시미르의 상호작용이 우주에서 분자 진동을 일으키기 때문에, 이론에 따르면 진공 상태에는 공간이라는 것이 존재하지 않습니다.

 

UC Berkeley의 전 박사후 연구원이자 이번 연구의 또 다른 제1저자인 King Yan Fong은 이렇게 말했습니다. “빛과 상관없이 공간이 있더라도 양자역학에서는 그것이 실제로 비어 있을 수 없다고 말합니다. 진공 상태에서는 여전히 약간의 양자장 변동이 있습니다. 이러한 변동은 두 물체를 연결하는 힘을 발생시키며, 이를 카시미르 상호작용이라고 합니다. 따라서 한 물체가 가열되어 흔들리고 진동하기 시작하면 이러한 양자 변동으로 인해 해당 운동이 진공을 통해 다른 목적으로 전달될 수 있습니다."

 

과학자들은 막의 크기와 디자인을 적절하게 선택했습니다. 이를 통해 그들은 수백 나노미터의 진공에 걸쳐 열에너지를 전달할 수 있었습니다. 이 거리는 태양 에너지가 지구를 가열하는 방식인 전자기 복사에 의해 운반되는 에너지와 같은 다른 가능한 열 전달 모드가 무시될 만큼 충분히 멀었습니다.

 

이 연구는 이번 주 Nature 저널에 게재되었습니다.

 

Heat energy can travel through a complete vacuum - Tech Explorist