Saat Anda menyentuh permukaan yang panas, Anda merasakan gerakan. Jika Anda menekan tangan Anda ke cangkir teh, kehangatan menyebar melalui jari-jari Anda. Itulah sensasi miliaran atom yang saling beradu. Getaran kecil membawa energi panas dari air ke cangkir dan kemudian ke kulit Anda ketika satu molekul mengetuk ke molekul berikutnya, mengirimkannya naik ke gelas ketiga - dan seterusnya di telepon.
Panas juga dapat melintasi ruang sebagai gelombang radiasi, tetapi tanpa radiasi, ia membutuhkan benda untuk melewatinya - molekul untuk menggedor molekul lain. Vacuums tidak memiliki "barang" di dalamnya, sehingga mereka cenderung memerangkap panas. Dalam orbit Bumi, misalnya, salah satu tantangan rekayasa terbesar adalah mencari cara untuk mendinginkan kapal roket.
Tetapi sekarang, para peneliti telah menunjukkan bahwa, pada skala mikroskopis, ini tidak benar. Dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan 11 Desember dalam jurnal Nature, fisikawan menunjukkan bahwa sedikit getaran panas dapat melintasi ratusan nanometer ruang kosong. Eksperimen mereka mengeksploitasi fitur luar biasa dari kekosongan kuantum: Tidak benar-benar kosong sama sekali.
"Kami menunjukkan bahwa dua objek dapat 'berbicara' satu sama lain di ruang kosong, misalnya, ratusan nanometer," kata Hao-Kun Li, co-lead penulis penelitian ini. Li adalah seorang ahli fisika di Universitas Stanford yang mengerjakan penelitian ini ketika dia masih mahasiswa doktoral di University of California, Berkeley.
Ratusan nanometer adalah ruang yang sangat kecil dalam hal manusia - beberapa ribu milimeter, atau sedikit lebih besar dari virus biasa. Tapi itu masih terlalu besar untuk dilewati oleh panas, setidaknya menurut model perpindahan panas yang sederhana.
Pada 2011, para peneliti mulai berspekulasi bahwa vakum kuantum itu sendiri mungkin dapat membawa getaran molekul panas. Sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Applied Physics Letters menunjukkan bahwa, dalam fisika kuantum, ruang hampa dipahami sebagai tempat yang dipenuhi energi. Fluktuasi materi dan energi yang acak muncul menjadi ada dan kemudian menghilang, umumnya pada skala yang jauh lebih kecil daripada yang dapat dibayangkan orang.
Fluktuasi itu kacau dan tidak dapat diprediksi. Tetapi mereka bisa bertindak seperti batu loncatan untuk membawa gelombang panas - dalam bentuk eksitasi kuantum yang dikenal sebagai fonon - melintasi celah. Jika Anda seorang phonon yang bersiap untuk menyeberangi celah yang lebar, katakanlah, beberapa inci, kemungkinan fluktuasi yang tepat terjadi dalam urutan yang tepat untuk membuat Anda menyeberang akan sangat rendah sehingga upaya itu tidak ada gunanya.
Tetapi susutkan skala, para peneliti menunjukkan, dan peluang meningkat. Pada sekitar 5 nanometer, hopscotch kuantum aneh ini akan menjadi cara dominan untuk mentransfer panas melintasi ruang kosong - bahkan melampaui radiasi elektromagnetik, yang sebelumnya dianggap sebagai satu-satunya cara bagi energi untuk melintasi ruang hampa.
Namun, para peneliti tersebut memperkirakan efeknya hanya akan signifikan hingga skala sekitar 10 nanometer. Tetapi melihat sesuatu dalam skala 10-nanometer itu sulit.
"Ketika kami merancang eksperimen, kami menyadari ini tidak mudah dilakukan," kata Li kepada Live Science.
Bahkan jika efeknya terjadi, skala spasial sangat kecil sehingga tidak ada cara yang baik untuk mengukurnya secara meyakinkan. Untuk menghasilkan pengamatan langsung pertama yang melintasi ruang hampa udara, fisikawan UC Berkeley menemukan cara meningkatkan skala percobaan.
"Kami merancang eksperimen yang menggunakan membran mekanis yang sangat lunak," yang berarti mereka sangat elastis, atau elastis, kata Li.
Jika Anda memetik senar gitar baja yang kaku, ia menjelaskan, getaran yang dihasilkan akan jauh lebih kecil daripada yang Anda lihat jika Anda memetik senar gitar nilon yang lebih elastis dengan kekuatan yang sama. Hal yang sama terjadi pada skala nano dalam percobaan: Membran ultra-elastis memungkinkan para peneliti untuk melihat getaran panas kecil yang jika tidak tidak akan terlihat. Dengan memantulkan cahaya dengan hati-hati dari selaput itu, para peneliti dapat mengamati fonon panas yang melintasi celah yang masih sangat kecil.
Di ujung jalan, kata Li, pekerjaan ini mungkin berguna - baik untuk orang-orang yang membangun komputer biasa maupun untuk perancang komputer kuantum.
Masalah utama dalam membangun microchip yang lebih baik dan lebih cepat adalah mencari cara untuk menyebarkan panas dari sirkuit yang dikelompokkan menjadi ruang-ruang kecil, kata Li.
"Temuan kami benar-benar menyiratkan bahwa Anda bisa merekayasa vakum untuk membuang panas dari chip komputer atau perangkat skala nano," katanya.
Jika Anda menyetel vakum dengan membentuknya dengan bahan yang tepat, itu mungkin - jauh di masa depan - menjadi lebih efektif dalam menarik panas dari sebuah chip daripada media yang ada, katanya.
Teknik-teknik yang digunakan para peneliti juga dapat digunakan untuk melibatkan fonon - getaran itu sendiri - melintasi membran yang berbeda. Itu akan menghubungkan phonons pada tingkat kuantum dengan cara yang sama dengan fisikawan kuantum yang telah menghubungkan foton, atau partikel cahaya, yang dipisahkan dalam ruang. Setelah ditautkan, phonons dapat digunakan untuk menyimpan dan mentransfer informasi kuantum, berfungsi sebagai "qubit mekanis" dari komputer kuantum hipotetis. Dan setelah didinginkan, katanya, fonon harus lebih efisien pada penyimpanan data jangka panjang daripada qubit tradisional.
