Quando você toca uma superfície quente, sente movimento. Se você pressionar a mão contra uma caneca de chá, o calor se espalhará pelos seus dedos. Essa é a sensação de bilhões de átomos batendo juntos. Pequenas vibrações transportam energia térmica da água para a caneca e depois para a pele quando uma molécula bate na outra, enviando-a para uma terceira - e assim por diante.
O calor também pode atravessar o espaço como ondas de radiação, mas sem radiação, ele precisa de coisas para passar - moléculas para atingir outras moléculas. Os aspiradores não têm "coisas" neles, então eles tendem a reter o calor. Na órbita da Terra, por exemplo, um dos maiores desafios de engenharia é descobrir como esfriar um foguete.
Mas agora, os pesquisadores mostraram que, em escalas microscópicas, isso não é realmente verdade. Em um novo artigo publicado no dia 11 de dezembro na revista Nature, os físicos mostraram que poucas vibrações de calor podem atravessar centenas de nanômetros de espaço vazio. O experimento deles explorou uma característica estranha do vácuo quântico: ele não é realmente vazio.
"Mostramos que dois objetos são capazes de 'conversar' entre si em um espaço vazio de, por exemplo, centenas de nanômetros", disse Hao-Kun Li, co-autor principal do estudo. Li é um físico da Universidade de Stanford que trabalhou nessa pesquisa enquanto era estudante de doutorado na Universidade da Califórnia, Berkeley.
Centenas de nanômetros é um espaço infinitesimal em termos humanos - alguns milésimos de milímetro ou um pouco maior que um vírus típico. Mas isso ainda é um espaço muito grande para o calor atravessar, pelo menos de acordo com os modelos simples de transferência de calor.
Em 2011, os pesquisadores começaram a especular que o próprio vácuo quântico seria capaz de transportar as vibrações moleculares do calor. Um artigo publicado na revista Applied Physics Letters apontou que, na física quântica, o vácuo é entendido como um lugar cheio de energia. Flutuações aleatórias de matéria e energia surgem e desaparecem, geralmente em escalas muito menores do que as pessoas podem imaginar.
Essas flutuações são caóticas e imprevisíveis. Mas eles poderiam agir como trampolins para transportar uma onda de calor - na forma de uma excitação quântica conhecida como fônon - através de uma lacuna. Se você fosse um fônon que pretendesse atravessar uma grande lacuna de, digamos, alguns centímetros, as chances das flutuações certas acontecerem na ordem certa para levá-lo adiante seriam tão baixas que o esforço seria inútil.
Mas diminuem a escala, mostraram os pesquisadores, e as chances aumentam. Em cerca de 5 nanômetros, essa estranha amarelinha quântica se tornaria a maneira dominante de transferir calor pelo espaço vazio - superando até a radiação eletromagnética, anteriormente considerada a única maneira de a energia atravessar o vácuo.
Ainda assim, esses pesquisadores previram que o efeito seria significativo apenas até uma escala de cerca de 10 nanômetros. Mas ver qualquer coisa em uma escala de 10 nanômetros é difícil.
"Quando projetamos o experimento, percebemos que isso não pode ser feito com facilidade", disse Li à Live Science.
Mesmo que o efeito aconteça, a escala espacial é tão pequena que não há uma boa maneira de medi-la conclusivamente. Para produzir a primeira observação direta de calor atravessando um vácuo, os físicos da Universidade de Berkeley descobriram como escalar o experimento.
"Nós projetamos um experimento que usa membranas mecânicas muito moles", o que significa que elas são muito elásticas ou elásticas, disse Li.
Se você puxar uma corda de violão de aço rígido, ele explicou, as vibrações resultantes serão muito menores do que aquelas que você veria se tocasse uma corda de nylon de nylon mais elástica com a mesma força. O mesmo aconteceu na nanoescala do experimento: essas membranas ultra-elásticas permitiram aos pesquisadores ver pequenas vibrações de calor que de outra forma não seriam visíveis. Retirando cuidadosamente a luz dessas membranas, os pesquisadores foram capazes de observar fônons de calor atravessando a lacuna ainda minúscula.
No futuro, disse Li, esse trabalho pode ser útil - tanto para quem constrói computadores comuns quanto para designers de computadores quânticos.
Um problema importante na construção de microchips melhores e mais rápidos é descobrir como dispersar o calor de circuitos agrupados em pequenos espaços, disse Li.
"Nossa descoberta realmente implica que você pode projetar o vácuo para dissipar o calor de chips de computador ou dispositivos em nanoescala", disse ele.
Se você ajustar o vácuo moldando-o adequadamente com os materiais certos, ele poderá - no futuro - se tornar mais eficaz em extrair o calor de um chip do que qualquer outro meio existente, disse ele.
As técnicas empregadas pelos pesquisadores também poderiam ser usadas para enredar os fônons - as próprias vibrações - através de diferentes membranas. Isso ligaria os fônons em um nível quântico da mesma maneira que os físicos quânticos já ligam fótons, ou partículas de luz, que são separadas no espaço. Uma vez vinculados, os fônons podem ser usados para armazenar e transferir informações quânticas, para funcionar como os "qubits mecânicos" de um computador quântico hipotético. E uma vez resfriados, ele disse, os fônons devem ser ainda mais eficientes no armazenamento de dados a longo prazo do que os qubits tradicionais.
