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

热量通常以两种熟悉的方式传播：它通过直接接触在固体物体中移动，或者作为不可见的辐射光向周围的空旷空间扩散。几个世纪以来，科学家们一直认为这种辐射热量有一个严格的速度限制，即无论两个物体距离多近，热量从温暖物体流向较冷物体的最大速率。这个被称为“黑体极限”的限制，就像是热能的一个普遍“减速带”。然而，当两个物体被带到极其接近的距离时——近到两者之间的间隙小于单根 DNA 链的宽度——这一规则就会发生改变。在这些微小的纳米级间隙中，热量跨越真空的速度比物理学曾经认为的要快得多，以一种突破常规约束的方式在空旷空间中激增。理解这一现象至关重要，因为它可能会彻底改变我们管理能量、为微型计算机芯片降温，甚至设计新型能量收集方式的方式。

长期以来，证明这种大规模热量激增确实发生，一直是实验人员的噩梦。挑战不仅在于如何让两个物体足够接近，还在于如何测量它们之间移动的微量热量。以前的尝试通常使用平板，但由于材料的微小缺陷，在如此微观的距离下保持它们完美平行几乎是不可能的。其他方法使用尖锐的探针，但信号太弱，无法进行准确测量。现在，亚利桑那州立大学的一组研究人员制造出了一种新型传感器，终于让他们能够观察到这种巨大的热传递过程。他们利用一根大约只有人类发丝宽度的细玻璃纤维，在其末端连接一个微小的二氧化硅球体，制造出了一个高度灵敏的设备。在这一纤维的最顶端，他们构建了一个由两种不同金属组成的微型结。这个结就像一个对温度变化极其敏感的温度计，能够检测到标准仪器无法察觉的微小变化。

研究人员使用这种新传感器来测量在与各种平面仅几纳米之遥时，热量在微小二氧化硅球体与平面之间流动的过程。他们在石英表面和重掺杂硅表面上测试了这一装置，并将间隙缩小到了十纳米。结果令人震惊。当间隙如此之小时，热传递速率跃升到了比正常条件下理论最大值高出数百倍的水平。在石英表面，热流比标准极限增加了 2,600 倍。在硅表面，热流则增加了 900 倍。这些数字代表了“巨大”的增强，证实了能量确实是通过消逝波（evanescent waves）在真空间隙中隧穿，这是一种仅在极端接近的情况下才起作用的机制。数据与基于涨落电动力学定律的复杂计算机模型完美吻合，使团队对测量结果的准确性以及并非仅仅是实验噪声拥有高度信心。

除了观察这种大规模的热量激增外，该团队还展示了他们可以对其进行控制。他们使用了一种名为二氧化钒的特殊材料，这种材料在受热时会改变其性质。在较低温度下，这种材料表现为绝缘体；但在升温后，它会切换到金属态。研究人员发现，通过简单地改变这种材料的温度，他们可以开启或关闭热流，或者至少可以大幅度地调节热流的大小。当材料处于绝缘相时，热传递很强，在 15 纳米的间隙处达到了正常极限的 430 倍。当他们加热材料使其切换到金属相时，热流下降了 64%。这种如此剧烈调节热传递的能力表明，科学家未来可能制造出热开关或热晶体管，从而像电子晶体管控制电流那样控制热流。

这次实验的成功在很大程度上依赖于他们传感器的独特设计。不同于以往那些因信号微弱而挣扎的尝试，这种新设备具有非常高的热阻，这意味着它不会轻易让热量逃逸，从而放大了他们试图测量的温度变化。他们还对传感器进行了仔细校准，以确保读取的电压与温度差精确对应，消除了猜测。通过将这种精确的传感器与能够以纳米级精度保持间隙距离的方法相结合，他们成功地架起了理论与现实之间的桥梁。这些发现提供了对纳米尺度下能量传输的清晰、直接的观察，将该领域从理论预测和模拟推向了实测事实的领域。这项工作为深入理解能量在极小空间内如何表现打开了大门，为未来能够像操纵光和电一样精准操纵热量的技术铺平了道路。