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音は真空中を伝わりますか?

投稿日時: 02/12 システム管理者

 

 

 

 

 

 

真空ギャップを通り抜けるフォノンのトンネリング。左側に入射する音波は、表面に交流電場を生成し、右側の2番目の物体の原子の同期振動を生成します。Phys.Rev.Lett.105,125501より
https://elementy.ru/novosti_nauki/431440/Mozhet_li_zvuk_peredavatsya_cherez_vakuum?from=rxblock 
2010 年10月27日• イゴール・イワノフ

■固体媒体で見られる新しい現象、つまりフォノンが真空(空隙)を介して、右の固体から左の固体に「ジャンプ」することが説明されています。音波は薄い真空の隙間を乗り越え伝わり、熱は通常の熱放射が伝えるより何十億倍も効果的に真空を介して伝達できます。
[訳者注)真空中を熱が伝わる様式は放射(輻射)のみと思い込んでいました.魔法瓶は壁の中に真空層があるために,真空中は熱伝導がなく放射だけなので熱流の遮断ができます.熱放射は真空中を伝搬できますが,それ程高温でない物体からの熱放射は小さいものです.物質の熱は原子の振動ですので,原子の振動を伝えることができれば非常に高効率な伝達でしょう.この発見の面白さはここにあります.ここで引用されているphys.rev.letters(フィンランドのグループ)によると,近接場熱伝達は音響フォノンが真空中をトンネルする現象で,フォノンによって誘起されるエバネッセント波が固体間を結合するので離れた誘電体間で起こり,いわゆる電流加熱でもないようです.近接場放射熱伝達の測定法はよくわかりませんが,以下の論文(入手していません)が引用されています.A. Narayanaswamy, S. Shen, and G. Chen, Phys. Rev. B,78, 115303 (2008)].

音波とは、物質の原子が平衡位置を基準にして同期的に振動することです。音が伝播するためには、これらの振動を支える物質媒体が必要です。真空中では、音はそこには存在できないので、伝搬することはできません。しかし、最近になって発見されたこの現象は、音の振動は、サブミクロンの厚さの真空隙間を突き抜けて、固体から固体へとジャンプすることです。この効果は「真空フォノン・トンネリング」と呼ばれ、Physical Review Letters誌の最新号に掲載された2つの論文で説明されました。結晶格子の振動は音だけでなく熱も運ぶため、真空中での熱伝導が異常に大きいことに注目が集まっています。

新しい効果は、結晶の音波と電界の間の相互作用によって起こります。1番目の結晶格子の振動は、結晶の端面に到達し、その表面近くに交互の電界を生成します。これらの場は真空ギャップを越えたもう一方の端面で「感じられ」、2番目の結晶の格子振動を起こします(図1を参照)。全体として、フォノン(結晶格子振動の「量子」)が1つの結晶から別の結晶にジャンプし、その中でさらに伝播するように見えますが、もちろん、2つの結晶間の真空空間にはフォノンは存在できません。

発見者は、効果を説明するために「トンネリング」という言葉を使用しました。この現象は、量子粒子がエネルギー的に禁止された領域を飛び越えるときのトンネリングをイメージしています。ただし、この新しい現象は古典物理学で完全に記述でき、量子力学の関与をまったくないことを強調しておく必要があります。これは、変圧器、誘導ホットプレート、ガジェットの非接触充電装置などで使用される電磁誘導の現象に少し関連しています。固体で起こるなんらかのプロセスで電磁界を生成し、電磁界は、非放射的に(電力の損失なく)真空ギャップを介して別の固体に伝達され、そこで応答を引き起こします。両者の違いは、電磁気学のインダクタンスでは電流(つまり電子の動き)が「働く」のに対し、真空フォノン・トンネルでは原子そのものが動くということです。

このような結晶振動と電界が効果的に結びつく具体的なメカニズムはいろいろあるでしょう。フィンランドの研究者による理論論文では、この目的のために圧電素子(水晶などの電場で変形し,かつ変形すると電荷を生じる物質)を使うことを提案しています。加えて:効果的に真空ギャップを突き抜けフォノンが伝わるには、 "対向 "フォノン、交流電場と "エスケープ "フォノンの間の共振同調が必要です。計算によると、物質の現実的なパラメータの下では、このような共鳴が実際に存在し、特定の入射角でフォノンが100%の確率でトンネリングさせられることが示されます。

 

図2. 走査型トンネル顕微鏡の針の先端にある最後の原子と基板との間の熱交換が異常に強い。原子は基板上に電荷を誘導し、原子の熱ジッタを追従して基板上にフォノンを発生させ、その過程で原子からエネルギーを奪う。 Phys.Rev.Lett.105,166101より

 

別の論文では、物理学者たちは、一見まったく技術的な問題を研究して、議論されているこの効果に行きつきました:走査型トンネル顕微鏡の針の最先端の熱は、冷たい基板(図2参照)に(触れることがない)運ばれるのか?繊細な実験方法を用いて、彼らは針の先端の文字通り最後の原子の温度を測定することができ、驚くべき事実を発見しました:この原子は、針ではなく、基板の温度でした!これは、基板と先端の最後の原子の非接触熱交換が(真空を通して!)先端の残りの部分の針よりもはるかに強力であったことを意味します。

このようなことから、通常の熱放射だけ考えても、かなり不十分であることが判明します。研究者らは、針から基板への熱伝達は、熱放射が作り出すことができるものよりも数十億(!)倍も効率的であると推定しました。このことは、詳細な測定結果と相まって、真空中のフォノンのトンネル現象がここでも起こっていることを示しています。


論文の著者は、この効果のメカニズムを次のように説明します。金属表面近傍に置かれた電荷は、金属に電荷を誘起します(静電気の問題では、仮想電荷イメージ)。初期電荷が、例えば熱振動によって揺れている場合、誘起された電荷もまた同じ周波数と振幅で揺れます(電子は原子よりもはるかに軽いという事実のため、原子のそれぞれの動きには "適応 "する時間がかかります)。その結果、基板の表面にある種の電子塊が現れ、「熱い」原子のように揺れる。この塊は、基板上の原子の振動を励起しエネルギーが費やされる。それは、電子塊から、したがって、電気力によって電子塊としっかり接続されているの元の原子の熱を奪う! これが、針の残りの部分が暖かい場合でも、先端の最後の原子は、クールダウンされるメカニズムです。

どうやら、応用はいろいろありそうです。新しい効果は、特定の状況で以前に考えられていたよりもはるかに効率的なので、熱伝達の観点から興味深いものになります。この観察は、マイクロメカニカルデバイスの設計や、多結晶圧電体サンプルの熱伝導率の研究において非常に重要なものとなるでしょう。また、圧電部品と金属部品を組み合わせたマイクロデバイスでは、電子が活躍します。これは、真空を介して電子とフォノンの間で、ある物質から別の物質へのエネルギー移動を迅速に行う現象のすべては、まだ探求されていません。

■Источники:
1) Mika Prunnila, Johanna Meltaus. Acoustic Phonon Tunneling and Heat Transport due to Evanescent Electric Fields // Phys. Rev. Lett. 105, 125501 (14 September 2010); текст статьи находится в свободном доступе в архиве е-принтов под номером arXiv:1003.1408.
2) Igor Altfeder, Andrey A. Voevodin, Ajit K. Roy. Vacuum Phonon Tunneling // Phys. Rev. Lett. 105, 166101 (11 October 2010).

См. также:
Структура электромагнитных полей в веществе оказалась сложнее, чем считалось ранее // «Элементы», 29.11.2005.

Игорь Иванов