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

Warmte reist meestal op twee bekende manieren: het beweegt door vaste objecten door direct contact, of het straalt naar buiten als onzichtbaar licht dat zich verspreidt in de lege ruimte om ons heen. Eeuwenlang geloofden wetenschappers dat deze uitgestraalde warmte een strikte snelheidslimiet had, een maximale snelheid waarmee warmte van een warm object naar een koeler object kon stromen, ongeacht hoe dicht ze bij elkaar waren. Deze limiet, bekend als de zwartelichaamlimiet, werkt als een universele drempel voor thermische energie. Echter, wanneer twee objecten extreem dicht bij elkaar worden gebracht—zo dicht dat de kloof tussen hen kleiner is dan de breedte van een enkele DNA-streng—verandert deze regel. In deze minuscule, nanoschaal kloven kan warmte de vacuüm veel sneller oversteken dan de natuurkunde ooit mogelijk achtte, waarbij het door de lege ruimte stort op een manier die de gebruikelijke beperkingen tart. Het begrijpen van dit fenomeen is cruciaal omdat het de manier waarop we energie beheren, het afkoelen van minuscule computerchips of zelfs het ontwerpen van nieuwe manieren om energie te oogsten, zou kunnen revolutioneren.

Voor een lange tijd was het bewijzen dat deze enorme toename in warmteoverdracht daadwerkelijk plaatsvindt, een nachtmerrie voor experimentatoren. De uitdaging was niet alleen om twee objecten dicht genoeg bij elkaar te krijgen, maar ook om de minuscule hoeveelheid warmte te meten die tussen hen heen bewoog. Eerdere pogingen gebruikten vaak platte platen, maar het is bijna onmogelijk om deze perfect parallel te houden op zulke microscopische afstanden vanwege kleine imperfecties in de materialen. Andere methoden gebruikten scherpe punten, maar de signalen waren te zwak om nauwkeurig te meten. Nu heeft een team onderzoekers aan de Arizona State University een nieuw soort sensor gebouwd waarmee ze deze kolossale warmteoverdracht eindelijk in actie kunnen zien. Ze creëerden een uiterst gevoelig apparaat bestaande uit een dunne glazen vezel, ongeveer zo breed als een menselijk haar, met een kleine silicaatbol aan het uiteinde. Op de uiterste punt van deze vezel construeerden ze een microscopische junctie van twee verschillende metalen. Deze junctie fungeert als een thermometer die extreem gevoelig is voor temperatuurveranderingen, in staat om verschuivingen te detecteren die zo klein zijn dat ze onzichtbaar zouden zijn voor standaard instrumenten.

De onderzoekers gebruikten deze nieuwe sensor om de warmtestroom te meten tussen hun minuscule silicaatbol en diverse platte oppervlakken die slechts nanometers verwijderd waren. Ze testten de opstelling met een kwartsoppervlak en een zwaar gedoteerd siliciumoppervlak, waarbij ze de afstand terugbrachten tot tien nanometers. De resultaten waren verbijsterend. Wanneer de kloof zo klein was, sprong de snelheid van de warmteoverdracht naar niveaus die honderden keren hoger lagen dan de theoretische maximumwaarde voor normale omstandigheden. Met het kwartsoppervlak nam de warmtestroom toe met een factor 2.600 vergeleken met de standaardlimiet. Met het siliciumoppervlak nam deze toe met een factor 900. Deze cijfers vertegenwoordigen een "kolossale" verbetering, wat bevestigt dat de energie door de vacuümkloof tunnelt via evanescente golven, een mechanisme dat alleen werkt bij deze extreme nabijheid. De gegevens kwamen perfect overeen met complexe computermodellen gebaseerd op de wetten van fluctuerende elektrodynamica, wat het team een hoog vertrouwen gaf dat hun metingen accuraat waren en niet slechts experimentele ruis.

Naast het simpelweg observeren van deze enorme warmtesprong, hebben de onderzoekers ook aangetoond dat ze deze kunnen beheersen. Ze gebruikten een speciaal materiaal genaamd vanadiumdioxide, dat van eigenschappen verandert wanneer het wordt verhit. Bij lagere temperaturen gedraagt dit materiaal zich als een isolator, maar wanneer het opwarmt, schakelt het over naar een metallische staat. De onderzoekers ontdekten dat ze door simpelweg de temperatuur van dit materiaal te veranderen, de warmtestroom aan en uit konden zetten, of de stroom in ieder geval aanzienlijk konden regelen. Wanneer het materiaal in zijn isolerende fase was, was de warmteoverdracht sterk en bereikte deze 430 keer de normale limiet bij een afstand van 15 nanometers. Wanneer ze het materiaal verwarmden om het naar de metallische fase te schakelen, daalde de warmtestroom met 64 procent. Dit vermogen om de warmteoverdracht zo drastisch af te stemmen, suggereert dat wetenschappers op een dag thermische schakelaars of transistors zouden kunnen bouwen die de warmtestroom controleren, net zoals elektronische transistors de elektriciteit controleren.

Het succes van dit experiment rustte zwaar op het unieke ontwerp van hun sensor. In tegen tegenstelling tot eerdere pogingen die worstelden met zwakke signalen, had dit nieuwe apparaat een zeer hoge thermische weerstand, wat betekent dat het warmte niet gemakkelijk liet ontsnappen, waardoor de temperatuurveranderingen die ze probeerden te meten werden versterkt. Ze kalibreerden de sensor ook zorgvuldig om ervoor te zorgen dat het gemeten voltage exact overeenkwam met het temperatuurverschil, waardoor gokwerk werd geëlimineerd. Door deze nauwkeurige sensor te combineren met een methode om de kloofafstand met nanometerprecisie vast te houden, slaagden ze erin de brug te slaan tussen theorie en realiteit. De bevindingen bieden een duidelijke, directe observatie van energietransport op nanoschaal, waardoor het vakgebied verschuift van theoretische voorspellingen en simulaties naar het domein van meetbare feiten. Dit werk opent de deur naar een dieper begrip van hoe energie zich gedraagt wanneer het wordt beperkt tot de kleinste mogelijke ruimtes, wat de weg vrijmaakt voor toekomstige technologieën die warmte manipuleren met dezelfde precisie waarmee we momenteel licht en elektriciteit manipuleren.