Door een vreemde quantumsprong te maken, kan warmte een volmaakt vacuüm oversteken zonder te worden overgedragen door deeltjes. In plaats daarvan zorgen minuscule quantumfluctuaties ervoor dat warmte kan overspringen tussen twee voorwerpen die elkaar niet raken en geen enkele vorm van licht uitzenden.
Een laagje vacuüm is normaal gesproken een heel goede isolator, zoals iedereen die een thermosfles heeft wel weet. Maar op het quantumniveau is zelfs een volmaakt vacuüm niet volledig leeg. In plaats daarvan is het gevuld met quantumfluctuaties van energie.
In 1948 voorspelde de Nederlandse wetenschapper Hendrik Casimir dat deze fluctuaties een kracht kunnen veroorzaken die twee voorwerpen in een vacuüm naar elkaar toe trekt. Dit wordt nu het casimireffect genoemd.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Men bedacht dat dankzij dit effect ook warmte een vacuüm zou kunnen oversteken. Verwacht werd echter dat dit op een te kleine schaal zou plaatsvinden om het te kunnen meten.
Trillende membranen
Nu hebben nanowetenschapper Haokun Li en collega’s het casimireffect gebruikt om warmte te laten overspringen tussen twee minuscule, drumvel-achtige membranen. De twee membranen werden in een vacuüm geplaatst met een onderlinge afstand van 300 nanometer – minder dan 5 procent van de breedte van een rode bloedcel.
De twee membranen waren verbonden met reservoirs met verschillende temperaturen. De warmte uit de reservoirs zorgde ervoor dat ze gingen trillen; het hete sneller dan het koude. Vanwege het casimireffect werden deze twee trillingen quantummechanisch aan elkaar gekoppeld. Het hete membraan droeg warmte over aan het koelere totdat ze beide trilden met dezelfde frequentie. Dit betekent dat ze dezelfde temperatuur hadden gekregen.
Volgens de klassieke natuurkunde kan een membraan geen trillingen overbrengen naar een ander membraan zonder dat daar een deeltje, zoals een foton, aan te pas komt. Maar dankzij quantumfluctuaties en het casimireffect is het toch mogelijk, zegt Li. ‘Zo kan de trilling van het ene object die van het andere beïnvloeden.’
Snellere computers
Dit zou van pas kunnen komen in de computerwereld, zegt natuurkundige John Pendry van Imperial College London. ‘Warmte is een groot probleem binnen de nanotechnologie.’ Die beperkt namelijk het aantal berekeningen dat een schakeling kan doen en de snelheid waarmee dat gebeurt.
Nu het bovenstaande effect is gedemonstreerd, is het te gebruiken om schakelingen duizenden keren sneller af te laten koelen dan wanneer je simpelweg wacht tot de warmte is weggestraald, zegt Pendry. En dat zou dus snellere computers op kunnen leveren.
Het onderzoek van Li en collega’s is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.