Исследователи из Университета Ольденбурга подтвердили феномен, впервые наблюдавшийся несколько лет назад: между объектами, расположенными на расстоянии всего в несколько нанометров друг от друга, передаётся больше тепла, чем предсказывает теория физики.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, под руководством профессора доктора Акима Киттеля и доктора Свенда-Эйжа Биихса сообщается, что на расстояниях в несколько нанометров значения теплопередачи от тёплого измерительного зонда к холодной поверхности образца примерно в сто раз выше, чем предполагают теоретические прогнозы.
Это измерение подтверждает результаты экспериментов, проведённых группой из Ольденбурга в 2017 году, согласно которым значения лучистого теплопереноса в «режиме экстремально ближнего поля» значительно выше теоретических предсказаний. Причина этого явления пока не выяснена.
Законы излучения, сформулированные физиками Максом Планком и Густавом Кирхгофом, описывают теплопередачу между двумя объектами посредством теплового излучения. Основные формулы Планка можно использовать для расчёта максимального количества энергии, которое тело может излучать в виде тепла.
Учёным давно известно, что этот предел перестаёт действовать в области ближнего поля, которая соответствует расстояниям менее десяти микрометров. На таких расстояниях тепловой поток от одного тела к другому может превышать значение, предсказанное законом Планка, в тысячу раз. Это явление хорошо изучено как экспериментально, так и теоретически.
«В принципе, любой материал может передавать в ближнем поле гораздо больше тепла, чем это возможно согласно закону излучения Планка», — объясняет Биихс.
В 2017 году группа из Ольденбурга под руководством Киттеля и Биихса обнаружила доказательства того, что на ещё меньших расстояниях — менее десяти нанометров — значения теплопередачи резко возрастают.
Учёные провели измерения с помощью уникального сканирующего теплового микроскопа ближнего поля — типа тепловой камеры, специально разработанной в Ольденбурге для измерения тепловых токов с нанометровым разрешением. Однако в то время команда не смогла полностью исключить возможность того, что эффект был вызван примесями или ошибками измерения.
В текущем исследовании учёные изменили настройки измерения, чтобы с высокой точностью исследовать переход от теплопередачи в ближнем поле к теплопередаче в экстремально ближнем поле на различных расстояниях. Перед началом измерений и измерительный зонд, и образец — тонкая золотая плёнка — прошли тщательную многоступенчатую очистку.
Кроме того, на этот раз в качестве зонда теплового микроскопа использовалась покрытая золотом сфера, а не острый наконечник. Это резко снизило боковое разрешение теплопередачи, но позволило провести высокоточные измерения значений переданного тепла на больших расстояниях.
«Мы, по сути, превратили Ferrari в трактор, но при этом повысили точность измерений теплопередачи в переходном режиме между ближним и экстремально ближним полем», — объясняет Киттель.
Эксперименты были проведены студентом Фридолином Гиссманном в рамках его дипломной работы при участии Филиппа Тюрау и Софи Родехуцкорс. Результаты экспериментов показывают, что теплопередача в экстремально ближнем поле увеличивается в сто раз по сравнению с прогнозируемыми значениями. Команда теперь уверена, что любая погрешность измерения исключена и что это действительно эффект, который не объясняется существующими теоретическими моделями.
«Это, без сомнения, имеет далеко идущие последствия, потому что результат ставит под сомнение наше нынешнее понимание теплопередачи в нанометровом диапазоне», — говорит Киттель, добавляя, что стоит провести более систематические исследования, направленные на поиск объяснения.
Новые открытия также могут позволить исследователям лучше контролировать температуру наносистем в таких областях, как наноэлектроника или нанооптика, где может потребоваться нагрев или охлаждение объектов — например, зеркал, используемых в высокоточных лазерных экспериментах — без физического контакта.