Fechem os livros de Física: O calor (fônons) pode se mover pelo vácuo

Calor que se move no vácuo

Como você certamente já usou uma garrafa térmica para ajudar a manter o café quente, sabe que o vácuo entre as camadas da garrafa é um bom isolante, porque a energia térmica tem dificuldade em se movimentar pelo espaço vazio.

As vibrações dos átomos ou moléculas, conhecidas como fônons, que transportam energia térmica, simplesmente não podem viajar se não dispuserem de um meio de condução, ou seja, se não houver átomos ou moléculas ao redor.

Bom, mas talvez as coisas não sejam exatamente assim.

Um experimento inédito, realizado por pesquisadores da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos EUA, mostra como as esquisitices da mecânica quântica podem virar de cabeça para baixo até mesmo esse princípio básico da física clássica.

Interação Casimir

King Fong e seus colegas demonstraram que a energia térmica pode sim saltar através de algumas centenas de nanômetros de um vácuo completo, graças a um fenômeno mecânico quântico chamado interação Casimir.

Embora essa interação seja significativa apenas em escalas muito curtas, ela pode ter implicações profundas no projeto de chips de computador, componentes eletrônicos em nanoescala, processadores quânticos e onde mais a dissipação de calor for um elemento essencial. Sem contar, é claro, as ressalvas que agora deverão ser feitas nos livros de física do ensino médio que tratam da transferência de calor.

“O calor geralmente é conduzido em um sólido através das vibrações de átomos ou moléculas, ou os chamados fônons. Mas no vácuo não há um meio físico. Assim, por muitos anos, os livros didáticos nos disseram que os fônons não podem viajar através do vácuo,” disse o professor Xiang Zhang, membro da equipe. “O que descobrimos, surpreendentemente, é que os fônons podem realmente ser transferidos através do vácuo por flutuações quânticas invisíveis”.

No experimento, a equipe colocou duas membranas de nitreto de silício revestidas de ouro a algumas centenas de nanômetros de distância uma da outra, ambas dentro de uma câmara de vácuo. Quando aqueceram uma das membranas, a outra também se aqueceu – embora não houvesse nada conectando as duas membranas e a energia eletromagnética (radiação de baixa frequência) desprezível que passava entre elas não pudesse explicar o calor transferido.

“Esta descoberta de um novo mecanismo de transferência de calor abre oportunidades sem precedentes para gerenciamento térmico em nanoescala, o que é importante para computação em alta velocidade e armazenamento de dados,” disse o pesquisador Hao-Kun Li. “Agora, podemos configurar o vácuo quântico para extrair calor em circuitos integrados”.

Esquema do aparato experimental que permitiu comprovar a transmissão do calor pelo vácuo em escala nanométrica.
[Imagem: Violet Carter/UC Berkeley]

Não existe espaço vazio

O feito aparentemente impossível de mover vibrações moleculares através do vácuo pode ser realizado porque, de acordo com a mecânica quântica, não existe espaço verdadeiramente vazio.

“Mesmo que você tenha um espaço vazio – sem matéria e sem radiação eletromagnética – a mecânica quântica diz que ele não pode ser realmente vazio. Ainda existem algumas flutuações quânticas no campo no vácuo,” explicou Fong. “Essas flutuações dão origem a uma força que conecta dois objetos, que é chamada de interação Casimir. Então, quando um objeto aquece e começa a tremer e oscilar, esse movimento pode realmente ser transmitido ao outro objeto através do vácuo por causa dessas flutuações quânticas”.

Embora os teóricos especulem há muito tempo que a interação Casimir poderia ajudar as vibrações moleculares a viajarem pelo espaço vazio, ninguém havia conseguido provar isso experimentalmente até agora.

Como as vibrações moleculares, ou fônons, também são a base do movimento dos sons que ouvimos, essa descoberta sugere que os sons também podem viajar pelo vácuo. Mas isso exigirá outro experimento para ser comprovado.

Bibliografia

Artigo: Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations
Autores: King Yan Fong, Hao-Kun Li, Rongkuo Zhao, Sui Yang, Yuan Wang, Xiang Zhang
Revista: Nature
Vol.: 576, pages 243-247
DOI: 10.1038/s41586-019-1800-4

Fonte: Inovação Tecnológica

Cristiane Tavolaro

Sou física, professora e pesquisadora do departamento de física da PUC-SP. Trabalho com Ensino de Física, atuando principalmente em ensino de física moderna, ótica física, acústica e novas tecnologias para o ensino de física. Sou membro fundadora do GoPEF - Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC-SP e co-autora do livro paradidático Física Moderna Experimental, editado pela Manole.

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