Observing Colossal and Tunable Near-field Thermal Radiation with A Highly Sensitive Annular Micro-thermocouple Junction

تنتقل الحرارة عادةً بطريقتين مألوفتين: فهي تتحرك عبر الأجسام الصلبة عن طريق التلامس المباشر، أو تشع إلى الخارج كضوء غير مرئي ينتشر في الفضاء الفارغ من حولنا. لقرون مضت، اعتقد العلماء أن هذا الإشعاع الحراري له حد سرعة صارم، وهو أقصى معدل يمكن أن تتدفق به الحرارة من جسم دافئ إلى آخر أبرد، بغض النظر عن مدى قربهما. هذا الحد، المعروف باسم حد الجسم الأسود، يعمل مثل مطب سرعة كوني للطاقة الحرارية. ومع ذلك، عندما يتم تقريب جسمين من بعضهما البعض بشكل هائل—لدرجة أن الفجوة بينهما تصبح أصغر من عرض خيط واحد من الحمض النووي (DNA)—تتغير هذه القاعدة. في هذه الفجوات المتناهية الصغر على مقياس النانو، يمكن للحرارة أن تقفز عبر الفراغ بسرعة أكبر بكثير مما كان يُعتقد سابقاً أنه ممكن في الفيزياء، حيث تندفع عبر الفضاء الفارغ بطريقة تتحدى القيود المعتادة. إن فهم هذه الظاهرة أمر بالغ الأهمية لأنها قد تُحدث ثورة في كيفية إدارتنا للطاقة، أو تبريد شرائح الكمبيوتر الصغيرة، أو حتى تصميم طرق جديدة لحصاد الطاقة.

لفترة طويلة، كان إثبات حدوث هذا التدفق الهائل في انتقال الحرارة بالفعل بمثابة كابوس للمتخصصين في التجارب. لم يكن التحدي يكمن فقط في تقريب جسمين من بعضهما البعض بما يكفي، بل في قياس الكمية الضئيلة من الحرارة التي تنتقل بينهما. كانت المحاولات السابقة تستخدم غالباً ألواحاً مسطحة، لكن الحفاظ على توازيها التام عند مثل هذه المسافات المجهرية يعد أمراً مستحيلاً تقرياً بسبب العيوب الدقيقة في المواد. أما الطرق الأخرى فقد استخدمت رؤوساً حادة، لكن الإشارات كانت ضعيفة جداً بحيث لا يمكن قياسها بدقة. والآن، قامت مجموعة من الباحثين في جامعة ولاية أريزونا ببناء نوع جديد من المستشعرات يسمح لهم أخيراً برؤية هذا الانتقال الحراري الهائل وهو يحدث بالفعل. لقد صنعوا جهازاً شديد الحساسية باستخدام ليف زجاجي رفيع، يبلغ عرضه تقريباً عرض شعرة الإنسان، مع كرة سيليكا صغيرة مثبتة في نهايته. وعند طرف هذا الليف تماماً، قاموا ببناء وصلة مجهرية مكونة من معدنين مختلفين. تعمل هذه الوصلة كميزان حرارة حساس للغاية للتغيرات في درجة الحرارة، وقادر على اكتشاف التحولات الصغيرة جداً التي ستكون غير مرئية للأجهزة القياسية.

استخدم الباحثون هذا المستشعر الجديد لقياس تدفق الحرارة بين كرة السيليكا الصغيرة وأسطح مسطحة مختلفة وُضعت على بعد نانومترات قليلة فقط. اختبروا الإعداد مع سطح من الكوارتز وسطح من السيليكون المشوب بكثافة، مع تقريبهما لمسافة تصل إلى عشرة نانومترات. كانت النتائج مذهلة؛ فعندما كانت الفجوة بهذا الصغر، قفز معدل انتقال الحرارة إلى مستويات أعلى بمئات المرات من الحد النظري للظروف العادية. فمع سطح الكوارتز، زاد تدفق الحرارة بمعامل قدره 2,600 مقارنة بالحد القياسي، ومع سطح السيليكون، زاد بمعامل قدره 900. تمثل هذه الأرقام تعزيزاً "هائلاً"، مما يؤكد أن الطاقة تتدفق عبر الفجوة الفراغية من خلال الموجات المتلاشية (evanescent waves)، وهي آلية لا تعمل إلا عند هذه المسافات القصوى. وقد تطابقت البيانات تماماً مع نماذج حاسوبية معقدة تعتمد على قوانين الديناميكا الكهرومغناطيسية المتقلبة، مما أعطى الفريق ثقة عالية في أن قياساتهم كانت دقيقة وليست مجرد ضوضاء تجريبية.

وبعيداً عن مجرد مراقبة هذا الاندفاع الحراري الهائل، أثبت الفريق أيضاً قدرتهم على التحكم فيه. فقد استخدموا مادة خاصة تسمى ثاني أكسيد الفاناديوم، والتي تغير خصائصها عند تسخينها. في درجات الحرارة المنخفضة، تعمل هذه المادة كمادة عازلة، ولكن عند تسخينها، تتحول إلى حالة معدنية. وجد الباحثون أنه من خلال تغيير درجة حرارة هذه المادة ببساطة، يمكنهم تشغيل تدفق الحرارة وإيقافه، أو على الأقل رفع مستواه أو خفضه بشكل كبير. فعندما كانت المادة في مرحلتها العازلة، كان انتقال الحرارة قوياً، حيث وصل إلى 430 ضعف الحد الطبيعي عند فجوة قدرها 15 نانومتراً. وعندما قاموا بتسخين المادة لتحويلها إلى المرحلة المعدنية، انخفض تدفق الحرارة بنسبة 64 بالمئة. إن القدرة على ضبط انتقال الحرارة بهذا الشكل الدراماتيكي تشير إلى أنه يمكن للعلماء يوماً ما بناء مفاتيح حرارية أو ترانزستورات حرارية تتحكم في تدفق الحرارة تماماً كما تتحكم الترانزستورات الإلكترونية في الكهرباء.

اعتمد نجاح هذه التجربة بشكل كبير على التصميم الفريد لمستشعرهم. فخلافاً للمحاولات السابقة التي عانت من ضعف الإشارات، تميز هذا الجهاز الجديد بمقاومة حرارية عالية جداً، مما يعني أنه لا يسمح للحرارة بالتسرب بسهء، وهو ما أدى إلى تضخيم التغيرات في درجات الحرارة التي كانوا يحاولون قياسها. كما قاموا بمعايرة المستشعر بعناً لضمان أن الجهد الكهربائي الذي يقرؤونه يتوافق تماماً مع فرق درجات الحرارة، مما ألغى أي مجال للتخمين. ومن خلال الجمع بين هذا المستشعر الدقيق وطريقة للحفاظ على مسافة الفجوة بدقة النانومتر، تمكنوا من سد الفجوة بين النظرية والواقع. توفر هذه النتائج ملاحظة واضحة ومباشرة لنقل الطاقة عند مقياس النانو، مما ينقل هذا المجال من التنبؤات والنماذج الحاسوبية إلى حيز الحقائق المقاسة. ويفتح هذا العمل الباب أمام فهم أعمق لكيفية سلوك الطاقة عندما تكون محصورة في أصغر المساحات الممكنة، مما يمهد الطريق لتقنيات مستقبلية تتلاعب بالحرارة بنفس الدقة التي نستخدمها حالياً للتلاعب بالضوء والكهرباء.