Transferencia de calor mediada por fluctuaciones cuánticas del vacío

Por Francisco R. Villatoro, el 13 diciembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science • Termodinámica ✎ 7

El efecto Casimir es debido a las fluctuaciones cuánticas del vacío del campo electromagnético. Se observa como una fuerza atractiva entre dos placas metálicas muy próximos. En 2011, Budaev y Bogy predijeron que si ambas placas están a temperatura diferente, habrá una transferencia de calor entre ellas. Se publica en Nature  la observación experimental de esta transferencia de calor mediada por las fluctuaciones cuánticas del vacío. La fuerza de Casimir se interpreta como un muelle que acopla las vibraciones térmicas de ambas placas permitiendo su termalización (la transferencia de calor del más caliente al más frío). Este mecanismo podría tener aplicaciones en la disipación de calor en micro y nanomecanismos.

La transferencia de calor de Casimir, desde un punto de vista cuántico, se puede interpretar como una radiación de fonones, análoga a la radiación térmica mediada por fotones. Sin embargo, hay que recordar que los fonones son las cuasipartículas asociadas a las vibraciones de los electrones y de los iones de un material; en el vacío entre las placas no pueden propagarse fonones, así que esta interpretación hay que tomarla con alfileres; quizás se podría decir que un efecto túnel de fonones de ambas placas a través del vacío que las separa. Aún así, los autores del artículo en Nature  no se mojan en estas cuestiones cuánticas y se limitan a interpretar sus observaciones con un modelo clásico, dos masas conectadas a baños térmicos separadas por un muelle regido por la fuerza de Casimir. Por cierto, en la parte final del artículo se muestra que el efecto observado depende de la frecuencia, lo que permite descartar que sea resultado de la transferencia por radiación, que también puede acoplar fonones de ambas placas.

El artículo es King Yan Fong, Hao-Kun Li, …, Xiang Zhang, “Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations,” Nature 576: 243-247 (11 Dec 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1800-4; divulgada en Karthik Sasihithlu, “Heat transferred in a previously unknown way,” Nature 576: 216-217 (11 Dec 2019), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-03729-4 (fuente del GIF que abre esta pieza). El artículo teórico citado es Bair V. Budaev, David B. Bogy, “On the role of acoustic waves (phonons) in equilibrium heat exchange across a vacuum gap,” Appl. Phys. Lett. 99: 053109 (2011), doi: https://doi.org/10.1063/1.3623433; también recomiendo Younès Ezzahri, Karl Joulain, “Vacuum-induced phonon transfer between two solid dielectric materials: Illustrating the case of Casimir force coupling,” Phys. Rev. B 90: 115433 (2014), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.115433, y J. B. Pendry, K. Sasihithlu, R. V. Craster, “Phonon-assisted heat transfer between vacuum-separated surfaces,” Phys. Rev. B 94: 075414 (2016), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.075414.

El experimento parece muy sencillo de realizar, luego puede sorprender que no se haya logrado hasta ahora. El gran problema técnico que había que resolver era alinear de forma casi perfecta las dos placas a pesar de estar conectadas a sendos baños térmicos que las someten a movimientos térmicos brownianos; además, para medir sus vibraciones (y con ellas la transferencia de calor) se usa interferometría óptica, luego estas placas están acopladas a sendos resonadores, que suponen una dificultad adicional. Ambos problemas se han resuelto de forma muy elegante en el nuevo diseño experimental.

Como muestra esta figura (izquierda) para una separación de las placas entre 600 y 800 nm ambas se encuentran aisladas térmicamente por el vacío que las separa (la transferencia térmica por radiación es muy pequeña, del orden del 4% de la Casimir para distancias menores de 800 nm); la placa caliente se encuentra a 312.5 K y la fría a 287.0 K. Entre 400 y 600 nm se observa una transferencia de calor de Casimir que crece al decrecer la distancia entre placas (figura a la derecha). Finalmente, por debajo de 400 nm se observa la termalización de ambas placas, cuya temperatura se iguala a unos 305 K.

En resumen, se ha demostrado de forma experimental un nuevo mecanismo de transferencia de calor en la nanoescala. Además de la conducción, convección y radiación de calor, tenemos que hablar de la transferencia de calor de Casimir. Sin lugar a dudas, igual que hay que tener en cuenta el efecto Casimir en el diseño de micro y nanomecanismos, en los próximos años también habrá que tener en cuenta el efecto Casimir térmico. Más aún, seguro que surgirán aplicaciones en el desarrollo de disipadores de calor en la nanoescala. Habrá que estar al tanto de estos progresos.



7 Comentarios

  1. Hola Francis, muy interesante como siempre.

    Entonces, para espesores de decenas de nanómetros, comparado con conducción “tradicional” a través del material, a la del efecto Casimir en vacío para la misma distancia, ¿cuál permitiría mayor flujo?

    1. Yavi, la conducción requiere un medio material siendo imposible en el vacío, igual que la convección; solo la radiación “tradicional”, por emisión de fotones, se puede propagar en el vacío. En un medio material, donde ocurre la conducción “tradicional” es imposible que ocurra la radiación de Casimir.

      1. Gracias Francis, creo me faltó ser más preciso.

        Al final tenía en mente la “resistencia térmica” que ofrecería el vacío comparada con la de otros materiales. Para hacerme una idea de magnitudes.

  2. 3 preguntas en una:
    En el experimento: ¿existe transferencia de calor por radiación?.
    En caso de que no exista: ¿como se evita?
    En caso de que si exista, ¿como se distingue de la transferencia por efecto casimir?.

    1. David, existe, pero es despreciable; lo comento al final del segundo párrafo, y se discute en detalle en los últimos párrafos del artículo en Nature. En el artículo en Nature puedes leer: “Thermal radiation pressure may also provide mechanical coupling between two phonon modes. However, such an effect is estimated to be negligible in our experimental condition (less than 4% for distances shorter than 800 nm).” Puedes ver la estimación numérica en la parte (e) de esta figura https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4/figures/5 .

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