Учёные научились «туннелировать» тепло: открытие может изменить электронику и энергетику

Исследование посвящено явлению радиационного теплового переноса в ближней зоне — эффекту, который возникает, когда два объекта находятся на расстоянии всего в сотни нанометров друг от друга. В таких условиях тепло начинает вести себя необычным образом: вместо обычного рассеивания энергия способна буквально «туннелировать» через микроскопический зазор при помощи электромагнитных волн.

Хотя этот эффект известен физикам уже давно, до сих пор не удавалось экспериментально показать, что его можно существенно усилить с помощью специально созданных структур. Именно это удалось сделать американским исследователям, использовавшим метаматериалы — искусственные материалы с заранее заданными свойствами.

Команда нанесла на тонкие мембраны микроскопические золотые структуры и расположила их на чрезвычайно малом расстоянии друг от друга. Такая конфигурация позволила увеличить теплопередачу почти в четыре раза по сравнению с обычными системами без метаматериалов.

По словам профессора Шэн Шэнь, эффект оказался значительно сильнее, чем предсказывает традиционная физика для макроскопических расстояний. Ключевую роль сыграло взаимодействие золотых наноструктур с поверхностными фононными поляритонами — связанными колебаниями света и атомных колебаний внутри материала.

Исследователи объясняют, что метаматериалы не просто создают дополнительные каналы для передачи энергии, а формируют резонансную систему, в которой тепловые волны усиливают друг друга. Это позволяет энергии проходить через нанозазор значительно эффективнее.

Практическое значение открытия может оказаться огромным. По мере уменьшения размеров микросхем и роста вычислительной мощности тепло становится одной из главных проблем современной электроники. Возможность точно управлять потоками тепла на наноуровне может привести к появлению новых методов охлаждения процессоров, дата-центров и высокопроизводительных вычислительных систем.

Технология также представляет большой интерес для энергетики. Термофотоэлектрические системы, преобразующие тепловое излучение в электричество, напрямую зависят от эффективности переноса тепла. Усиление этого процесса может сделать подобные установки гораздо более производительными и приблизить создание новых источников энергии.

Дополнительные перспективы связаны с инфракрасными сенсорами и спектроскопией, где усиленные тепловые сигналы способны повысить точность обнаружения веществ и объектов — от экологического мониторинга до систем безопасности.

Пока технология существует только в лабораторных условиях и требует работы с нанометровыми структурами в строго контролируемой среде. Однако исследование считается важным шагом к практическому использованию управляемой теплопередачи — области, которая ещё недавно оставалась преимущественно теоретической.