2014-04-11

Структура електромагнітних полів у речовині виявилася складнішою

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Симбіоз скануючого тунельного мікроскопа і термодатчика

Вивчаючи явище теплопередачі за допомогою теплового мікроскопа, німецькі фізики натрапили на несподіване відкриття: мабуть, теплове випромінювання генерується не одиничними атомами або електронами, а цілими областями - «електромагнітними бульбашками» розміром близько 100 нанометрів.

Передача тепла в повітрі від гарячого тіла до холодного може відбуватися найрізноманітнішими способами. У вакуумі ж, де немає ні теплопровідності, ні конвекції, залишається лише передача тепла випромінюванням. Саме так Сонце передає енергію Землі. Закон, що пов'язує потужність променевої теплопередачі з температурою тіла і площею його поверхні (закон Стефана-Больцмана) відомий вже дуже давно і його можна зустріти в будь-якому вузівському підручнику фізики.

Проте у цього закону є свої межі застосування. Як з'ясувалося в 1970-і роки, ефективність променевої теплопередачі багатократно зростає, якщо відстань між гарячим і холодним тілами дуже мала (наприклад кілька мікрон). Причина цього явища досить проста. Теплове випромінювання, будучи одним з видів інфрачервоних електромагнітних хвиль, має довжину хвилі в десятки мікрон. При тепловому випромінюванні з поверхні тіла, як і при генерації всякої електромагнітної хвилі, виділяють так звану «ближню зону» та «далеку зону». Звичайні формули годяться для далекої зони, а в ближній зоні - на відстані менше довжини хвилі - електричні і магнітні поля розподілені зовсім по-іншому і можуть призводити до нових ефектів.

Експерименти 1970-х років, в ході яких вивчався цей ефект, проводилися при відстані порядку одного мікрона. За минулі тридцять з гаком років експериментальна техніка пішла далеко вперед і тепер можлива перевірка цього ефекту і на менших відстанях, аж до атомних розмірів.

Саме цим вирішила зайнятися група дослідників з Університету ім. Карла фон Оссецкі в німецькому місті Ольденбурзі. «Вжививши» у голку скануючого тунельного мікроскопа надтонкий температурний датчик, вони створили мініатюрний скануючий тепловий мікроскоп (один з численних приладів скануючої зондової мікроскопії). Утримуючи цю голку поблизу гарячої поверхні, учені вимірювали розподіл температури вздовж голки, що дозволяло їм обчислити ефективність теплопередачі.

За допомогою свого приладу німецькі фізики виміряли ефективність теплопередачі на відстані від 200 нм і аж до 1 нм (що всього в кілька разів більше від діаметру атома) і виявили несподіваний ефект. При зменшенні відстані від 200 нм до 10-20 нм теплопередача справно зростала відповідно до теорії, однак потім зростання зупинялося.

Автори роботи стверджують, що є тільки одна можливість пояснити цей ефект у рамках загальноприйнятої теорії. А саме - що в матеріалі існує деяка природна довжина, приблизно рівна (для металів) 100 нм, і що теплове випромінювання генерується не одиничними атомами або електронами, а цілими областями, «електромагнітними бульбашками», такого розміру. Побудована авторами евристична модель, яка враховує ці бульбашки, непогано описувала експериментальні дані.

Яке точне пояснення цього явища, покаже майбутнє, однак само по собі це відкриття дуже цікаве. Адже видається майже очевидним, що єдиний «природний» розмір в суцільному середовищі - це розмір атома. Все, що істотно його перевищує, повинно відповідати суцільній речовині, без будь-яких скупчень. Виявляється ні: електромагнітна організація речовини більш складна, ніж передбачалося раніше. Варто також відзначити, що незалежно від подальших теоретичних досліджень результати цих експериментів необхідно буде враховувати при конструюванні мезомеханічних і нанотехнологічних пристроїв.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus