Obrót kontroluje przepływ ciepła

Próżnia kwantowa nie jest próżnią. Jest pełen fluktuacji elektromagnetycznych. A kiedy dwie cienkie warstwy przewodzące są oddalone od siebie o kilka nanometrów, siły przyciągania lub momenty między nimi mogą wynikać z tych fluktuacji. W tym zjawisku, znanym jako efekt Casimira, płyty przyciągają się lub skręcają, ponieważ pola elektryczne i magnetyczne cofają się na ich granicach i zmieniają energię swobodną w szczelinie. (Zobacz szybkie studium Jeremy’ego Munday’a, fizyka dzisiajpaździernik 2019, s. 74.) Ale efekt Casimira nie jest jedyną manifestacją fluktuacji próżni. Gdy odległość między płytami jest mniejsza niż długość fali promieniowania cieplnego, może również zmieniać się strumień ciepła między nimi.

Podczas gdy wcześniej naukowcy osobno traktowali przepływ ciepła i interakcje Casimira, Juan Deop-Ruano i Alejandro Manjavacas – obaj z Instytutu Optyki w Madrycie w Hiszpanii – badają teraz ich interakcje. W nowym badaniu teoretycy przewidują, co się stanie, gdy dwa arkusze nanostruktury obracają się jak koło względem siebie w różnych temperaturach. T₁ I T₂, jak pokazano na rysunku. W przypadku braku rotacji strumień ciepła zależy tylko od różnicy temperatur nanostruktur i jest zawsze kierowany od gorącej nanostruktury do zimnej. Ale kiedy nanostruktury obracają się względem siebie, strumień ciepła można zwiększyć, zmniejszyć, a nawet odwrócić — po prostu dostosowując częstotliwość rotacji.

Teoretycy wyprowadzają zamknięte wyrażenia analityczne opisujące moment obrotowy i siłę przenoszone z jednej nanostruktury do drugiej. Znak momentu obrotowego jest określony przez różnicę między częstotliwościami obrotowymi nanostruktur, gdzie tylko względna temperatura wpływa na wielkość tego momentu obrotowego. Jednak strumień ciepła wykazuje zupełnie inne zachowanie: zarówno jego znak, jak i wielkość zależą od częstotliwości rotacji i temperatur.

Biorąc pod uwagę nanostruktury o tej samej temperaturze, ciepło przepływa od szybciej wirującej nanostruktury do wolniej wirującej nanostruktury. Ale gdy występuje również różnica temperatur, pojawia się bogate spektrum zachowań. Chociaż teoretycy spodziewali się tych wyników dla arkuszy nanostrukturalnych, spodziewaliby się, że każde nanociało, które ma rezonans dipolowy, takie jak makrocząsteczka, będzie je wykazywać. Co więcej, dla temperatur poniżej 1 K wyniki powinny być obserwowalne, o ile względna częstotliwość wirowania wynosi co najmniej 100 GHz. Częstotliwość rotacji i temperatura są w zasięgu eksperymentu. Wyniki nowej pracy można zatem wykorzystać do kontrolowania wymiany ciepła między obiektami w nanoskali. (JR Deop-Ruano, A. Manjavacas, fizyka Wielebny Litt. 130133605, 2023.)