Lorsque vous touchez une surface chaude, vous ressentez du mouvement. Si vous appuyez votre main contre une tasse de thé, la chaleur se propage entre vos doigts. C'est la sensation de milliards d'atomes qui se cognent. De minuscules vibrations transportent l'énergie thermique de l'eau vers la tasse, puis dans votre peau lorsqu'une molécule frappe dans la suivante, l'envoyant en carénage dans une troisième - et ainsi de suite.
La chaleur peut également traverser l'espace sous forme d'ondes de rayonnement, mais sans rayonnement, elle a besoin de choses à traverser - des molécules pour se cogner contre d'autres molécules. Les aspirateurs ne contiennent aucun «élément», ils ont donc tendance à emprisonner la chaleur. Dans l'orbite de la Terre, par exemple, l'un des plus grands défis d'ingénierie consiste à trouver comment refroidir une fusée.
Mais maintenant, les chercheurs ont montré que, à l'échelle microscopique, ce n'est pas vraiment vrai. Dans un nouvel article publié le 11 décembre dans la revue Nature, les physiciens ont montré que de petites vibrations de chaleur peuvent traverser des centaines de nanomètres d'espace vide. Leur expérience a exploité une caractéristique étrange du vide quantique: il n'est pas vraiment vide du tout.
"Nous avons montré que deux objets sont capables de" se parler "à travers un espace vide de, par exemple, des centaines de nanomètres", a déclaré Hao-Kun Li, co-auteur principal de l'étude. Li est un physicien de l'Université de Stanford qui a travaillé sur cette recherche alors qu'il était doctorant à l'Université de Californie à Berkeley.
Des centaines de nanomètres est un espace infinitésimal en termes humains - quelques millièmes de millimètre, ou un peu plus grand qu'un virus typique. Mais c'est encore un écart beaucoup trop grand pour que la chaleur puisse traverser, du moins selon les modèles simples de transfert de chaleur.
En 2011, les chercheurs ont commencé à spéculer que le vide quantique lui-même pourrait être capable de transporter les vibrations moléculaires de la chaleur. Un article publié dans la revue Applied Physics Letters a souligné que, en physique quantique, le vide est compris comme un lieu bouillonnant d'énergie. Des fluctuations aléatoires de matière et d'énergie apparaissent et disparaissent, généralement à des échelles bien plus petites que les gens ne peuvent l'imaginer.
Ces fluctuations sont chaotiques et imprévisibles. Mais ils pourraient agir comme des tremplins pour transporter une vague de chaleur - sous la forme d'une excitation quantique connue sous le nom de phonon - à travers un espace. Si vous étiez un phonon cherchant à traverser un large espace de, disons, quelques pouces, les chances que les bonnes fluctuations se produisent dans le bon ordre pour vous faire passer seraient si faibles que l'effort serait inutile.
Mais réduisez l'échelle, ont montré les chercheurs, et les chances s'améliorent. À environ 5 nanomètres, cette étrange marelle quantique deviendrait le moyen dominant de transférer la chaleur à travers l'espace vide - dépassant même le rayonnement électromagnétique, auparavant considéré comme le seul moyen pour l'énergie de traverser le vide.
Pourtant, ces chercheurs ont prédit que l'effet ne serait significatif que jusqu'à une échelle d'environ 10 nanomètres. Mais voir quoi que ce soit à une échelle de 10 nanomètres est difficile.
"Lorsque nous avons conçu l'expérience, nous avons réalisé que cela ne pouvait pas être fait facilement", a déclaré Li à Live Science.
Même si l'effet se produit, l'échelle spatiale est si petite qu'il n'y a aucun bon moyen de le mesurer de manière concluante. Pour produire la première observation directe de la chaleur traversant le vide, les physiciens de l'UC Berkeley ont compris comment augmenter l'échelle de l'expérience.
"Nous avons conçu une expérience qui utilise des membranes mécaniques très souples", ce qui signifie qu'elles sont très élastiques ou extensibles, a déclaré Li.
Si vous cueillez une corde de guitare en acier rigide, a-t-il expliqué, les vibrations résultantes seront beaucoup plus petites que celles que vous verriez si vous cueilliez une corde de guitare en nylon plus élastique avec la même force. La même chose s'est produite à l'échelle nanométrique dans l'expérience: ces membranes ultra-élastiques ont permis aux chercheurs de voir de minuscules vibrations thermiques qui autrement n'auraient pas été visibles. En faisant rebondir soigneusement la lumière sur ces membranes, les chercheurs ont pu observer des phonons de chaleur traversant l'espace encore minuscule.
Sur la route, a déclaré Li, ce travail pourrait s'avérer utile - à la fois pour les gens qui construisent des ordinateurs réguliers et pour les concepteurs d'ordinateurs quantiques.
Un problème clé dans la construction de puces électroniques meilleures et plus rapides consiste à trouver comment disperser la chaleur des circuits regroupés dans de minuscules espaces, a déclaré Li.
"Notre découverte implique en fait que vous pourriez concevoir le vide pour dissiper la chaleur des puces informatiques ou des dispositifs à l'échelle nanométrique", a-t-il déclaré.
Si vous deviez régler le vide en le façonnant correctement avec les bons matériaux, il pourrait - loin dans le futur - devenir plus efficace pour extraire la chaleur d'une puce que tout autre support existant, a-t-il déclaré.
Les techniques employées par les chercheurs pourraient également être utilisées pour emmêler les phonons - les vibrations elles-mêmes - à travers différentes membranes. Cela relierait les phonons à un niveau quantique de la même manière que les physiciens quantiques relient déjà les photons, ou particules de lumière, qui sont séparés dans l'espace. Une fois liés, les phonons pourraient être utilisés pour stocker et transférer des informations quantiques, pour fonctionner comme les "qubits mécaniques" d'un ordinateur quantique hypothétique. Et une fois refroidis, a-t-il dit, les phonons devraient être encore plus efficaces pour le stockage de données à long terme que les qubits traditionnels.
