g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Nano ölçekte testi geçemeyen temel fizik yasası

Bu makale, "İlkeler" in yetkisiyle çoğaltılmıştır (WeChat herkese açık hesap: principalia1687),

İkinci yeniden basım yasaktır.

Son zamanlarda, College of William and Mary ve Michigan Üniversitesi'nden araştırmacılar tarafından yapılan yeni bir keşif, modern fizikteki en önemli yasalarımızdan birini değiştirdi Planck'ın kara cisim radyasyonu yasası Anlamak. Bir dizi deneyden sonra araştırmacılar, Planck'ın radyasyon yasasının belirli bir boyuttan daha küçük nesneler için geçerli olmadığını buldular. Nature dergisinde yayınlanan bu yeni keşif, nanoteknolojiden güneş sistemi anlayışımıza kadar her şey üzerinde derin bir etkiye sahip olabilir.

Planck'ın Radyasyon Yasası

Planck'ın radyasyon yasası, modern fiziğin bel kemiğidir ve Kuantum fiziği Fizikçinin en önemli sonuçlarından biri Planck (Max Planck) 1900'de önerildi. Bu yasa, bir nesnenin sıcaklığı ile elektromanyetik dalgalar şeklinde yayılan enerji arasındaki ilişkiyi açıklar. .

20. yüzyılın başlarında, fizikçiler ışık ve atom altı parçacıkları incelediklerinde, atom düzeyinde tüm maddelerin dalgalar ve parçacıklar gibi davrandığını keşfettiler. Işık yalnızca foton denen bir parçacık akışı değil, aynı zamanda salınan elektromanyetik alandaki bir dalgadır. Işık dalgalarına elektromanyetik radyasyon denir ve görebildiğimiz ışık (görünür ışık) elektromanyetik spektrumun yalnızca küçük bir parçasıdır.

Planck'tan önce, insanlar sıcak nesnelerin radyasyonunun tüm spektrumunu iyi ölçebiliyor olsalar da, kimse ne olduğunu gerçekten anlamadı ve o zamanki teori bu fenomeni açıklayamadı. Planck, daha sonra kuantum mekaniğinin temel taşı haline gelen teorik bir açıklama önerene kadar.

Planck önerdi " Niceleme Teorisine göre, ışık sadece elektromanyetik bir dalga değil, aynı zamanda nicelleştirilmiş bir elektromanyetik dalgadır, bu fenomeni açıklayabilen ayrı kuantlarda (yani "fotonlar") yayılır ve emilir.

Ek olarak, Planckın teorisi şu varsayıma dayanmaktadır: Bir fotonun enerjisi, frekansına bağlıdır . Bu, elektromanyetik dalgaların enerjisinin de nicelendiği anlamına gelir. Radyasyon yasasında enerji ve frekans arasındaki ilişkiye açıklık getirdi. Fizikçiler uzun süredir bu yasanın evrendeki tüm nesneler için geçerli olduğunu varsaydılar.

Deneydeki bulmacalar

Ancak beş yıl önce, Michigan Üniversitesi'nde makine mühendisliği profesörü olan Pramod Reddy'nin laboratuvarı, mikroyapı , Birbirinden izole edilmiş nesneler arasında inanılmaz ısı akışı oluşturabilir.

Uzun bir süre bu fenomenin temel nedenini belirleyemediler. Bu makalenin ilk yazarı Dakotah Thompson, standart Planck teorisine dayalı hesaplamalar yaptı, ancak hesaplama sonuçlarının deneyde gözlemlenen fenomeni açıklayamadığını buldu.

O sırada, Reddy'nin laboratuvarında yeni bir yüksek lisans öğrencisi olarak profesörler, Thompson'ın hesaplamalarının yanlış olabileceğinden şüphelenmişti. Ancak sonuç, hesaplamasının doğru olduğunu gösterdi. Şimdi, Thompson'ın görevi ne olduğunu bulmaktır.

İki nesne arasındaki ısı akış hızının sınırı, nesnenin boyutu, sıcaklığı, iki nesnenin zıt yüzeyleri ve nesneler arasındaki mesafe gibi birçok faktöre bağlıdır. Isı, kızılötesi radyasyon ve görünür ışık gibi elektromanyetik dalgalar şeklinde nesneler arasında yayılacaktır.

2009'da fizikçiler, iki nesne arasındaki boşluk nanometre boyutunda, yani radyasyonun ana dalga boyundan daha kısa ise, ısı akışının teorik olarak tahmin edilenden 10.000 kat daha hızlı olacağını keşfettiler. Yani, bu nesneler sözde " Yakın alan ", Planck yasası geçerli değildir. Ancak nesneler arasındaki mesafe radyasyonun dalga boyundan daha büyükse (sözde" Uzak alan "), bu olmayacak.

Deneydeki bulmacalar

Reddy ve Michigan Üniversitesi'nde başka bir makine mühendisliği profesörü olan Edgar Meyhofer'in rehberliğinde Thompson, bu beklenmedik gözlemle bir dizi deney gerçekleştirdi. Bu sefer, nesnenin kalınlığıyla ilgili olabileceğinden şüphelendiler.

Reddy kavramı Thompson'a cüzdanındaki iki kartla açıkladı: Bir kartı avucuna, diğerini de aralarında küçük bir boşluk bırakarak parmağına koydu. Bundan sonra Thompson, nano üretim tesisinde birkaç ay geçirerek, karta benzer şekle sahip ancak uzunluk ve genişliği 1 / 1000'den az olan bir çift silikon nitrür (SiN) yarı iletken plaka üretti. Nihai yarı iletken plakaların kalınlığı 10 mikron ile 270 nanometre arasındadır ve Thompson bunları bir insan saçından 100 kat daha ince olan kirişlere asmaktadır.

Yüksek sıcaklığa sahip yayılan nesne (kırmızı) ve daha düşük sıcaklığa sahip yayılan nesne (mavi) çok ince bir ışın üzerine asılır ve yayılan nesne akım geçirilerek ısıtılabilir, diğer yandan ölçülerek de alınabilir. Yayılan nesnenin sıcaklık değişimi, aktarılan ısıyı hesaplamak için kullanılır. (Kakma görüntüsü) SiN plakasının kalınlığı radyasyon dalga boyundan daha azdır ve iki plaka arasındaki mesafe radyasyon dalga boyundan daha büyüktür. | Resim kaynağı: Dakotah Thompson ve ark.

Araştırmacılar, iki plakayı nispeten uzun bir mesafeyle ayırdı - radyasyon dalga boyundan biraz daha uzun ve plaka kalınlığı bir dalga boyundan daha azdı. Daha sonra bir plakayı ısıttılar ve diğer plakadaki ısı artışını ölçtüler. Planck yasası geçerliyse, ikinci plakadaki ısı artışı Planck'ın öngörüsü ile tutarlı olmalıdır. Ama araştırmacılar bunu buldu Deneyde aktarılan radyasyon enerjisi, Planck'ın radyasyon yasası tarafından tahmin edilenin 100 katıdır. .

Kredi kartı şeklindeki ve boyutundaki bir nesne için, ısı genellikle altı yüzeyden yayılır ve radyasyon yoğunluğu yüzey alanıyla orantılıdır. Ama bu keşif gösteriyor ki Bu yapılar çok ince olduğunda, yeşil ışığın dalga boyunun yaklaşık yarısı kadar ince olduğunda, bu kenarlar tarafından salınan ve emilen ısı beklentileri çok aşar. .

Deneysel olarak ölçülen termal iletkenlik (siyah noktalı düz çizgi), Planck'ın siyah cisim radyasyon yasası (ters üçgen kesikli çizgi) tarafından öngörülen değerden daha büyüktür ve nesnenin kalınlığı daha küçükse, deneysel ve teorik tahmin sonuçları (kırmızı nokta Düz çizgi) daha büyüktür. | Resim kaynağı: Dakotah Thompson ve ark.

Deneysel sonuçları aldıktan sonra Thompson, laboratuvarda doktora sonrası araştırmacı olan Linxiao Zhu ile yakın çalışmaya başladı. Zhu, iki ince levha için ayrıntılı bir matematiksel model oluşturdu ve bu yapılar arasındaki ısı transferini kontrol eden fiziksel mekanizmayı açıklamada kullanmaya çalıştı.

Simülasyon sonuçları, ısı akış yoğunluğunun 100 kat artması olgusunun sebebinin, ince plakadaki elektromanyetik dalgaların yayılma modundan kaynaklandığını göstermektedir. Elektromanyetik dalgalar plakanın uzun boyutuna paralel bir yönde yayıldığından ısının kenardan yayılmasına neden olur. . Karşıdaki enerji emici plakada da aynı kavram iş başında.

Küçük boyut, büyük uygulama

Radyasyon güçlendirmenin etkisi en çok mikrometre veya daha küçük sırayla açık olsa da, ortaya çıkan nanoteknoloji bu yeni keşiflerin cihazlara uygulanabileceği anlamına gelebilir.

Reddy, "Bu ısı transfer mekanizmasını keşfettiğimiz için, insanların ısıyı yeni yollarla kontrol etmeleri mümkün." Dedi.

Ekip tarafından önerilen uygulama örnekleri arasında, elektronik kontrol eden elektroniklere benzer bir şekilde ısı akışının kontrol edilmesi, yeni nesil bilgisayarlar ve diyotlar için termal transistörler yapılması yer alıyor. Örneğin, gelecekteki yapı malzemeleri serin yaz gecelerinde ısıyı serbest bırakabilir, ancak kışın ısıyı koruyabilir. Güneş pilleri, güneş spektrumunun elektriğe dönüştürülmeyen kısmını (fotovoltaik etkili güç üretiminin geri kalan kısmı), kayıp enerjiyi suyu ısıtmak için kullanabilecek bir çatı tesisatı inşa etmek gibi başka amaçlar için kullanabilir.

Ancak Reddy, ısı tabanlı bilgi işlem cihazlarının elektronik bilgisayarlardan daha yavaş ve daha büyük olacağı konusunda uyardı, ancak bazı durumlarda ısı tabanlı bilgi işlem cihazlarının geleneksel elektronik cihazlara neden olma gibi avantajları olabileceğine inanıyor. Ekipmanın hasar gördüğü yüksek sıcaklıklı bir ortamda.

Ek olarak, bu çalışmadan elde edilen bilgiler, termal radyasyonun önemli bir rol oynadığı yerlerde de kullanılabilir, örneğin gezegensel atmosferlerin simülasyonu, protoplanet oluşumu ve astrofiziksel fenomenler gibi.

Referans kaynağı:

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180905124705.htm

https://www.wm.edu/news/stories/2018/in-nature-a-nanoscale-discovery-with-big-implications.php

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0480-9