Подтверждён неожиданно высокий перенос тепла в наномасштабе

Между объектами, разделёнными всего несколькими нанометрами, передаётся значительно больше тепла, чем предсказывает классическая физическая теория. Исследовательская группа из Ольденбургского университета подтвердила этот феномен с помощью сверхточных измерений.

Тепловая камера для нанодиапазона скрыта в вакуумной камере сложного испытательного стенда. Автор: Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg

В статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи под руководством профессора Ахима Киттеля и приват-доцента Свенда-Аге Биса сообщают, что на расстоянии всего в несколько нанометров значения теплопередачи от тёплого измерительного зонда к холодной поверхности образца примерно в сто раз превышают теоретические прогнозы.

Это измерение подтверждает результаты экспериментов, проведённых ольденбургской группой в 2017 году, согласно которым значения лучистого тепла в «режиме экстремального ближнего поля» значительно выше теоретических предсказаний. Причина этого явления до сих пор не понята.

Учёные уже некоторое время знают, что в области ближнего поля — на расстояниях менее десяти микрометров — тепловой поток от одного тела к другому может превышать значение, предсказанное законом Планка, в тысячу раз. Это явление хорошо изучено как экспериментально, так и теоретически.

«В принципе, любой материал может передавать в ближнем поле гораздо больше тепла, чем должно быть возможно согласно закону излучения Планка», — объясняет Бис.

В 2017 году команда из Ольденбурга под руководством Киттеля и Биса обнаружила свидетельства того, что на ещё меньших расстояниях — менее десяти нанометров — значения теплопередачи резко возрастают. Однако тогда команда не могла полностью исключить возможность того, что эффект был вызван примесями или погрешностями измерений.

Взгляд на сканирующий тепловой микроскоп ближнего поля открывает уникальное устройство. Оно способно определять тепловой поток между измерительным зондом и образцом, разделённым всего несколькими молекулярными диаметрами, с исключительной точностью. Автор: Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg

В текущем исследовании учёные изменили свою измерительную установку, чтобы с высокой точностью исследовать переход от ближнего поля к экстремальному ближнему полю лучистого теплопереноса на различных расстояниях. Перед началом измерений и измерительный зонд, и образец — тонкая золотая плёнка — прошли особенно тщательную многоступенчатую очистку.

Кроме того, на этот раз в качестве зонда теплового микроскопа использовалась не острая игла, а золотированный шарик. Это резко снизило латеральное разрешение теплопередачи, но позволило проводить высокоточные измерения переданных значений тепла на больших расстояниях.

«Мы, по сути, превратили Ferrari в трактор, но тем самым повысили точность измерений теплопередачи в переходном режиме между ближним полем и режимом экстремального ближнего поля», — поясняет Киттель.

Результаты экспериментов, проведённых студентом Фридолином Гисманом в рамках его бакалаврской диссертации, указывают на то, что теплопередача в экстремальном ближнем поле увеличивается в сто раз по сравнению с предсказанными значениями. Команда теперь уверена, что любая погрешность измерений исключена, и это действительно эффект, не объясняемый существующими теоретическими моделями.

«Это, без сомнения, имеет далеко идущее значение, потому что результат ставит под сомнение наше нынешнее понимание теплопередачи в нанометровом диапазоне», — говорит Киттель.

Новые открытия также могут позволить исследователям лучше контролировать температуру наносистем в таких областях, как наноэлектроника или нанооптика, где может потребоваться нагревать или охлаждать объекты — например, зеркала, используемые в высокоточных лазерных экспериментах — без физического контакта с ними.

Больше информации: F. Geesmann et al, Transition from Near-Field to Extreme Near-Field Radiative Heat Transfer, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/lcz1-f5v9