如何看待《自然》於2019年12月所刊論文中提到的新的熱傳導方式「真空聲子傳熱」？

作者：由知乎使用者發表于攝影時間：2019-12-22

知乎使用者2019-12-22 22:25:56

量子波動電熱毯搞一波，有人給我投資嗎

知乎使用者2019-12-22 22:57:24

這篇論文來自《Nature》雜誌，文章題目為《Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations》。

［1］

最近看到了這篇文章，大致內容翻譯介紹如下：

固體中的熱傳遞通常透過電子或稱為聲子的原子振動進行。長期以來，人們一直認為在真空中熱量是透過輻射而不是聲子傳遞的，因為缺少介質。然而，最近的理論預測，電磁場的量子漲落會引起真空中的聲子耦合，從而促進熱傳遞。透過實驗揭示這種獨特的量子效應將為量子熱力學帶來一些新的基礎性見解，併為奈米級技術的熱管理帶來實際工程上的意義。在這裡，科學家透過實驗證明了由真空間隙隔開的兩個物體之間的量子漲落引起的熱傳遞是存在的。他們使用奈米力學系統透過真空波動實現強聲子耦合，並觀察各個聲子模式之間的熱能交換。實驗觀察與理論計算非常吻合，並且與其他影響（例如近場輻射和靜電相互作用）存在無可爭議的區別。科學家透過量子漲落髮現聲子的傳熱代表了除傳統的傳導，對流和輻射之外的傳熱機制。它為在奈米級的能量傳輸中利用量子真空鋪平了道路。

實驗用了兩塊氮化矽薄膜。實驗發現膜的距離足夠接近時，熱量會產生明顯的變化。我們知道，對於光波，為了解釋光電效應，愛因斯坦引入了光子的概念，他認為無論是吸收和發射還是在空間中傳播，光波均是以能量為的微粒形式出現的，這種微粒稱之為光子，因此，光子為光波的最小能量單元，即能量量子，光子概念的引入使人們對與光現象有關的微觀過程的認識發生了革命性的改變。對於晶體中的格波，其能量也是量子化的，格波最小的能量單元（能量量子）是

$\hbar\omega_s(q)$

，格波能量的增減必須是

$\hbar\omega_s(q)$

的整數倍。格波的激發單元因此可看是“粒子”，這個粒子化了的格波元激發（格波量子），或者說晶格振動的能量量子，稱之為聲子（phonon）

［2］

。頻率為

$\omega_s(q)$

聲子的能量為

$\hbar\omega_s(q)$

。聲子是玻色子，服從玻色統計分佈。由於聲子是玻色子，對每個聲子能級，聲子的佔據數沒有限制，且聲子數可以不守恆，聲子既可以被產生，也可以被湮滅。聲子與光子不同，是一種為了計算方便而引入的虛擬粒子。聲子不能像光子一樣作為真實的粒子，按照愛因斯坦光量子理論，光波無論是吸收和發射還是在空間中傳播均是以光子這一真實的形式出現的，而格波只在晶體中傳播，意味著聲子不能脫離固體而單獨存在。

這次的實驗在排除了傳統的三種熱傳遞方式之後觀察到的新現象，雖然說被翻譯為“真空聲子傳熱”，但是這裡的聲子意義顯然與固體物理中的聲子不同，因為聲子需要依靠介質存在，但是實驗在真空中進行，並沒有聲子所需要的介質。這個實驗大概是一種類似卡西米爾效應一樣的過程，依靠量子漲落完成了熱交換。短暫的量子漲落如果可以產生一定的類似於“力”的效應，就可以在沒有熱輻射的情況下仍然傳遞熱量。感覺這個實驗還是很有意思的，不過自己不是相關方向的研究人員，對於具體的細節也不是特別瞭解，希望相關方向的知友能對這個實驗的成果做一個更加詳細和具體的闡述。

楊櫻2019-12-23 21:53:57

這張圖就很能說明問題了，一目瞭然

考慮左右兩個薄片，中間是真空，在不考慮電磁場零點能這些問題時，左右兩側是完全沒有相互作用，的能解出來一系列聲子模式。

如果考慮電磁場零點能或者說（quantum vacuum fluctuations）導致的Casimir效應，兩個薄膜之間有與距離四次方成反比的力，這個力與距離有關，可以看成一個彈簧，於是兩個薄片上的聲子模式產生相互作用。這樣聲子可以從一個薄片耦合到另一個薄片上，同時可以傳遞熱量。因為中間是真空的，就叫真空聲子傳聲了。

簡單地說，就是以前我們知道有Casimir效應，現在實驗證實了這個效應可以傳遞振動。

qfzklm2019-12-24 15:56:47

這個文章看來看去，實際上就是一個耦合擺。。

╮（╯_╰）╭

不過還是要學習一下，如何吹概念。。

知乎使用者2019-12-25 16:01:18

先上結論：非常有意思的工作，提供了熱傳導、熱輻射和熱對流以外，第四種熱傳遞方式。

什麼是聲子？

聲音大家都很熟悉，我們日常交流很大一部分是透過它。聲音實際上是空氣的一種機械振動，又叫聲波。當然聲音不單單可以在氣體裡面傳播，也可以在液體和固體裡面傳播。固體的機械波又叫彈性波，比如可以把耳朵貼近鐵軌來判斷火車的距離。另外一種典型的彈性波就是地震波，它是地殼裡面的機械波。總的來說，機械波需要介質。

圖1，音叉在空氣中振動產生聲波。

晶體是一種由週期排列的原子或者分子構成。晶體中晶格振動會產生機械波，當波長遠小於晶格週期時，就是普通的彈性波，當波長接近於晶格週期時，該機械波被稱為聲子（phonons）。聲子的頻率大概在太赫茲頻段（10的12方赫茲）。聲子是一種準粒子（quasiparticle），不屬於基本粒子，而光子、電子等為基本粒子。

圖2，由週期排布的原子或者分子構成的晶體。

圖3，聲子在晶體中傳播。

圖4，不同頻率的機械波。

2。

聲子和熱傳遞

熱傳遞通常來講有三種方式：熱傳導、熱輻射和熱對流。這三種熱傳遞方式在日常生活中都很常見，比如吹電風扇為熱對流，太陽、白熾燈發光為熱輻射，紅外相機是利用了不同物體不同的熱輻射特徵，做飯是利用了鍋的熱傳導，等等。此外，通常來說，熱傳導和熱對流需要介質，熱輻射不需要。

在晶體裡面，熱傳導主要由聲子傳播導致的。溫度越高，晶格振動越劇烈，晶格振動的傳遞導致了熱傳遞。

圖5，聲子傳播導致熱傳導。

3。

卡西米爾效應：真空並不是空無一物

圖6，卡西米爾效應。

真空中並不是空無一物（零點能），裡面有各種光子產生和湮滅，雖然總的場為零，但是它們的擾動不為零。卡西米爾效應是一種量子效應。

卡西米爾效應還會導致卡西米爾力。考慮上面的模型，有兩塊金屬板，中間有一些空隙。由於電磁波在金屬板之間有特定的模式，並且由於兩塊板的作用，一些低頻率的模式不能存在於板之間，也就是說，有部分的光子的漲落被限制了。這就導致板外面的力比板裡面的力要強，進而產生卡西米爾力。另外，範德華力實際上就是卡西米爾力的一種。所以範德華力的也可以用上面的物理來解釋。

另外，卡西米爾力與所有自然數之和為-1/12這個結論有關，見下面連線：

如何廣義地理解「所有自然數之和」？

4. 由卡西米爾效應導致的熱傳導

終於到最近Nature的文章了。該工作來自於UC berkeley Xiang Zhang組，主要基於Pendry在2016年提出的理論。其物體影象十分簡潔：如下圖，左右兩個物體的溫度不同，但是透過控制兩邊的結構或者其它引數，使聲子諧振的本徵頻率一樣。中間是真空，聲子不能存在，由於卡西米爾效應，電磁波或者說光子會在裡面產生和湮沒。當兩個物體靠得足夠近時（幾百奈米），聲子可以透過卡西米爾效應傳遞，從而導致熱傳遞。