Структура электромагнитных полей в веществе оказалась сложнее, чем считалось ранее
|
Изучая явление теплопередачи при помощи теплового микроскопа, немецкие физики натолкнулись на неожиданное открытие: по-видимому, тепловое излучение генерируется не единичными атомами или электронами, а целыми областями — «электромагнитными пузырями» размером порядка 100 нанометров.
Передача тепла в воздухе от горячего тела к холодному может происходить самыми разнообразными способами. В вакууме же, где нет ни теплопроводности, ни конвекции, остается лишь передача тепла излучением. Именно так, например, Солнце передает энергию Земле. Закон, связывающий мощность лучистой теплопередачи с температурой тела и площадью его поверхности (закон Стефана-Больцмана), известен уже очень давно, и его можно встретить в любом вузовском учебнике физики.
У этого закона, однако, есть свои границы применимости. Как выяснилось в 1970-е годы, эффективность лучистой теплопередачи многократно возрастает, если расстояние между горячим и холодным телами очень мало (например, при зазоре в несколько микрон). Причина этого явления довольно проста. Тепловое излучение, будучи одним из видов инфракрасных электромагнитных волн, имеет длину волны в десятки микрон. При тепловом излучении с поверхности тела, как и при генерации всякой электромагнитной волны, выделяют так называемую «ближнюю зону» и «дальнюю зону». Обычные формулы годятся для дальней зоны, а в ближней зоне — на расстоянии меньше длины волны — электрические и магнитные поля распределены совсем по-другому и могут приводить к новым эффектам.
Эксперименты 1970-х годов, в ходе которых изучался этот эффект, проводились при зазоре порядка одного микрона. За минувшие тридцать с лишним лет экспериментальная техника шагнула далеко вперед, и теперь возможна проверка этого эффекта и на меньших расстояниях, вплоть до атомных размеров.
Именно этим решила заняться группа исследователей из Университета им. Карла фон Оссецки в немецком городе Ольденбурге, работа которых была недавно опубликована (A. Kitel et al., Physical Review Letters, 95, 224301 (22 November 2005), статья также доступна на сайте группы). «Вживив» в иглу сканирующего туннельного микроскопа сверхтонкий температурный датчик, они создали миниатюрный сканирующий тепловой микроскоп (один из многочисленных приборов сканирующей зондовой микроскопии). Удерживая эту иглу вблизи горячей поверхности, ученые измеряли распределение температуры вдоль иглы, что позволяло им вычислить эффективность теплопередачи.
|
С помощью своего прибора немецкие физики измерили эффективность теплопередачи при зазоре от 200 нм и вплоть до 1 нм (что всего в несколько раз больше диаметра атома) и обнаружили неожиданный эффект. При уменьшении зазора от 200 нм до 10-20 нм теплопередача исправно возрастала в согласии с теорией, однако затем рост останавливался.
Авторы работы утверждают, что есть только одна возможность объяснить этот эффект в рамках общепринятой теории. А именно — что в материале существует некоторая естественная длина, примерно равная (для металлов) 100 нм, и что тепловое излучение генерируется не единичными атомами или электронами, а целыми областями, «электромагнитными пузырями», такого размера. Построенная авторами эвристическая модель, учитывающая эти пузыри, неплохо описывала экспериментальные данные.
Каково точное объяснение этого явления, покажет будущее, однако само по себе это открытие очень интересное. Ведь кажется чуть ли не очевидным, что единственный «естественный» размер в сплошной среде — это размер атома. Всё, что существенно его превышает, должно отвечать сплошному веществу, без каких-либо «кучкований» или скоплений. Оказывается, нет: электромагнитная организация вещества более сложна, чем предполагалось ранее. Стоит также отметить, что вне зависимости от дальнейших теоретических изысканий результаты этих экспериментов необходимо будет учитывать при конструировании мезомеханических и нанотехнологических устройств.
Игорь Иванов
