Что умеют фононные поляритоны?
Начну издалека. Вы пришли в гости с мороза и обменялись рукопожатием с хозяином дома. За миг до прикосновения ваша замерзшая рука могла ощутить тепло его ладони, которое переносится инфракрасным излучением. Но по собственному опыту каждый знает, что, пока руки не соприкоснулись, этот нагрев настолько слаб, что его трудно заметить.
Теперь вообразим дружескую встречу представителей расы разумных кристаллов, которых так любят некоторые писатели-фантасты.
Тела этих существ имеют микронные размеры и состоят из кремния. Их крошечные лапки сблизились и в момент, когда их разделяли два-три десятка нанометров — бац! Теплая конечность мгновенно остыла, а холодная столь же быстро нагрелась. Инфракрасное излучение взбесилось и со страшной силой рвануло от теплой ладошки к холодной.
Перейдем от фантастики к физике. До прошлой недели в науке доминировал взгляд Макса Планка, который в 1900 году вывел формулу теплового излучения абсолютно черного тела. По этой формуле можно рассчитать, как быстро тепло перейдет от вашей руки к хозяйской. Впрочем, уже Планк подозревал: его формула не обязана работать на очень малых дистанциях, размеры которых сильно уступают длине волны излучения. Поскольку длины волн инфракрасного излучения измеряются тысячами нанометров, на расстояниях в десятки нанометров закон Планка для него может уже и не работать. Если это и в самом деле так, на таких дистанциях инфракрасные лучи могут переносить куда больше энергии, чем разрешает планковская формула.
Несколько дней назад профессор Массачусетского технологического института Ганг Чен вместе с двумя коллегами опубликовал результаты элегантного эксперимента, полностью подтвердившего эти теоретические построения. Кварцевые сферы диаметром 50-100 микрон подвешивали в вакуумной камере на миниатюрных коромыслах над пластинками, изготовленными из кварца же. Вся хитрость заключалась в том, чтобы подвести шарик к пластинке на какой-то десяток нанометров. Это было непросто, но все-таки получилось. Шарик, нагретый красным лазерным лучом (не сильно, всего на 16 градусов) отдавал свое тепло подложке в тысячу раз интенсивней, чем допускается планковской формулой.
Наномир, как мы убеждаемся в очередной раз, живет по своим законам. Что же происходило на самом деле в интригующих отношениях между подложкой и шариком? Теоретики утверждают, что при нагреве на поверхности кристаллических тел возникают особые волны, объединяющие звуковые и электромагнитные колебания (они-то и называются фононными поляритонами). Иными словами, нагретые наночастицы могут покрикивать на более прохладных соседей, но в этом крике будет что-то электромагнетическое.
Такие волны-гибриды буквально вытягивают тепло из кристаллической решетки и перерабатывают его в инфракрасные кванты. Если рядом поместить кристалл похолоднее с такой же структурой, он почувствует соседство поляритонов и родит их на собственной поверхности. Они войдут в резонанс с поляритонами нагретого кристалла и перекачают на себя его тепловую энергию.
Я спросил профессора Чена о практическом применении новооткрытого эффекта. Он сказал кое-что об улучшении работы магнитных носителей памяти, а также тепловых электрогенераторов. Но, дорогие члены клуба и подписчики, может быть, у вас возникнут какие-то интересные мысли: как использовать на благо человечества этот эффект — невероятно интенсивную передачу тепла на сверхмалые расстояния?