Only Perception: 在奈米尺度下打破普朗克定律

2009-08-03

在奈米尺度下打破普朗克定律

Breaking the Planck's law, at the nanoscale
http://www.physorg.com/news168101848.html

by David L. Chandler, July 29th, 2009

(PhysOrg.com) -- 一個已確立的物理定律，描述了二物體之間熱的轉移，不過某些物理學早已懷疑，當這二個物體十分靠近時，應會打破這個定律。科學家從未能夠實際證實，或測量這種失效（breakdown）。然而，MIT 研究者率先達成這項功績，並測得這種熱轉移可比定律預測要大上 1000 倍。

這些新發現能導致重要的新應用，包括用於電腦資料儲存的、更好的硬碟讀寫頭設計以及從廢熱收成能量的新型裝置。

普朗克（Planck）的黑體輻射定律（blackbody radiation law）在 1900 年由德國物理學家 Max Planck 創立，描述能量如何以不同波長的輻射形態，從理想化的、不會反射的黑色物體，稱為黑體（blackbody），消失。該定律表示，在不同波長之輻射的相對熱發射（relative thermal emission ）遵循一精確模式，那根據該物體的溫度而變化。來自一黑體的發射通常被視為該物體能發射的最大量。

該定律在絕大多數的例子中可靠地作用，不過普朗克自己已指出，當物體十分靠近時，其定律的預測將會失效。不過精確地控制物體以維持證明該現象所需的微小分離，已經證明極為困難。

"普朗克非常謹慎，表示其理論僅在大系統中有效，" 陳剛（Gang Chen）解釋，MIT 的 Carl Richard Soderberg 動力工程教授，同時也是 Pappalardo 微米與奈米工程實驗室的主任。"故，他有點意料到這種（失效），但絕大多數的人並不知道這件事。"

當兩物體十分靠近時，測量能量被輻射方式的部份問題在於，維持二物體非常靠近地相鄰，而不會使它們實際上接觸的物理性困難。陳剛與他的團隊，畢業生 Sheng Shen 與哥倫比亞大學 Arvind Narayaswamy 教授，以二種方式解決這個問題，那將發表在八月號 Nano Letters 期刊的一篇論文中（已有線上版）。首先，並非使用二平面並在它們之間維持一微小的間隙，相反的，他們使用一塊鄰近一小型圓形玻璃珠的平面物體，其位置較容易控制。"若我們使用二平行表面，在奈米尺度下很難推動而不會讓某部份彼此相碰，" 陳剛解釋，但利用一珠子，就只有單一個鄰近接觸點，那更容易維持。接著，他們使用來自原子力顯微鏡的雙金屬懸臂技術，以異乎尋常的精確度來測量溫度的變化。

"我們要試著以平行板做到那件事已經花很多年了，" 陳剛說。不過利用此法，他們能夠維持更接近約一微米的分隔。藉由玻璃（二氧化矽）珠的使用，他們能達到 10 奈米這麼小的分離，而且目前正研究獲得甚至更接近的間隔。

Imperial College London 的 John Pendry 爵士教授，其在該領域完成大量研究，稱這些結果「非常令人振奮」，並提到理論學家早已預測方程式中有這樣的失效，以及某種更強大機制的活化。

"實驗的驗證經證明難以捉摸，因為在非常小的距離內測量溫度的差異超級困難，" Pendry 說。"陳剛的實驗為這種難題提供了一種漂亮的解決方案，並證實近場效應對於熱轉移的優勢貢獻。"

在今日的磁性資料記錄系統中 -- 例如電腦中所使用的硬碟 -- 讀寫頭與碟片表面的的間隔大約在 5 - 6 奈米的範圍，陳剛說。讀寫頭傾向變熱，而研究者已經在尋找方法來管理熱，或甚至操縱這種加熱來控制間隙。"對於磁性儲存這是一個很重要的議題，" 他說。像這樣的應用能相當迅速地被開發，他說，而且某些公司已經在這項研究中表示強烈的興趣。

這些新發現也能幫助新光伏能源（太陽能）轉換裝置的發展，以收成由某熱源所發射的光子，稱為熱光伏（thermophovoltaic），陳表示。"高光子通量可能使有更高效率與能量密度的熱光伏能源轉換器以及新的能源轉換裝置成為可能，" 他說。

這項新發現也具有「廣泛的影響」，Shen 說。與使用小分離的裝置一同工作的人們現在將有個明確的理解，普朗克的定律「不在是一種根本的限制（一如許多人現在認為的）」，他說。不過未來研究需要去更進一步探索甚至更接近的間隔，Chen 說，因為就「有多少熱會在間隔緊密地系統中消散」而論 "我們仍不確切知道限制是什麼。一但我們推進至小於 1 奈米的空間，當前理論將不再有效。"

除了實際應用之外，他表示，這樣的實驗「能提供一種有用的工具來理解某些基本物理學」。

◆ 華裔教授打破百年物理定律

【聯合報╱本報系記者唐嘉麗／波士頓31日報導】2009.08.02

麻省理工學院（MIT）30日宣布，該校動力工程學華裔教授陳剛與其團隊的研究，首次打破「黑體輻射定律」公式，證實物體極接近的熱力傳導，可以高到定律所預測的千倍。研究報告將在8月號「NanoLetter」雜誌上發表。

德國物理學家普朗克1900年創「黑體輻射定律」（blackbody radiation law），公認是物體間熱力傳導基本法則，雖有人懷疑定律在兩物體極接近時不成立，但始終無法證明。

「黑體幅射定律」創定在不同溫度下，在絕大多數情況下都成立，但在極微小距離中穩定控制物體以測試能量傳導，極為困難。百多年來，科學家始終無法突破。普朗克本人對此定律在微距物體間是否仍成立，亦無把握。

陳剛出身中國華中科技大學、柏克萊加州大學，是知名奈米熱電材料和流體學者。他的團隊採用方位較易控制的小玻璃珠對著平面物體的方式，取代在奈米（10億分之一米）距離中根本不可能不碰觸的兩平行平面體；並採用雙金屬臂樑（bi-metallic cantilever）科技的原子能動力顯微鏡，精準測量兩物體間溫度變化。

MIT表示，陳剛團隊證實了科學家所預言但無法實證的理論，獲國際間同領域學者喝采。不但讓人們對基本物理有進一步了解，對改良電腦資料儲存用的硬碟的「記錄頭」（recording head），以及發展儲聚能源的新設計等工業應用上十分重要。

陳剛說，目前電腦使用的硬碟，記錄頭與硬碟表面約有5、6奈米距離，記錄頭容易發熱，而研究員一直在尋找控制熱力的方法。熱力傳導和控制是磁力儲存（magnetic storage）領域十分重要的一環，此類應用也將因陳剛的發現而迅速發展。新的發現還有助於開發新一代能源轉換裝置，陳剛說，此研究也提供對基本物理進一步了解。

※ 相關報導：

＊ Surface Phonon Polaritons Mediated Energy Transfer between Nanoscale Gaps
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl901208v