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港大校長張翔教授在柏克萊加州大學擔任機械工程教授時帶領的科研團隊的最新研究顯示，熱能可以跨越幾百納米的完全真空空間，顛覆了經典物理學的其中一個基本概念。這對計算器晶片和其他在設計上以散熱為關鍵考慮的納米級電子元件，產生深遠的影響，對於高速計算器和大資料存儲的發展亦非常重要。研究人員從此可以開拓發展透過調控量子真空，散走積體電路中的熱量。

以下是翻譯自柏克萊加州大學的新聞稿，原文請按此。

人們使用真空絕緣的保溫瓶盛載茶或咖啡，因為我們知道這些容器是很好的絕緣體，能夠保持飲品的溫度。經典物理學告訴我們，熱導能難以穿越真空，帶熱的原子或分子，如果周圍沒有其他原子或分子，根本無法把熱能的振動傳導開去。

香港大學（港大）校長張翔教授在柏克萊加州大學擔任機械工程教授時帶領的科研團隊的最新研究，展示了量子力學如何顛覆了經典物理學這一個基本概念。由於一種稱為凱西米爾效應的量子力學現象，熱能可以跨越幾百納米的完全真空空間。這項極具開創性的研究結果剛在《自然》雜誌發表。

雖然凱西米爾效應在很短的距離範圍才有顯著性，但這已足以對計算器晶片和其他在設計上以散熱為關鍵考慮的納米級電子元件，產生深遠的影響，更不用說顛覆了大部份人中學時學到的傳熱理論。

「熱能在固體中傳導通常是透過原子或分子，或所謂的聲子的振動，但真空的空間沒有物理介質，因此教科書多年來都告訴我們，聲子不能在真空中傳播。」領導研究的張翔教授表示：「令人驚訝的是，我們發現聲子確實可以透過看不見的量子漲落在真空中傳導。」

實驗中，張教授的團隊在一個真空密室，把兩片鍍金氮化矽膜，分開放置於相距數百納米的距離。兩個膜中間沒有任何連接，之間幾乎沒有光穿透，但當加熱其中一個膜時，另一個的溫度也變熱。

張教授團隊的前博士生、研究的共同第一作者Hao-Kun Li說︰「我們發現的這種新的傳熱機制，為納米級的熱能應用開創了前所未有的機遇，對於高速計算器和大資料存儲的發展非常重要。現在我們可以透過調控量子真空，散走積體電路中的熱量。」

柏克萊加州大學博士後研究員、研究的共同第一作者King Yan Fong說：「在一個真空環境中，分子振動可以在空間中傳導，這看似不可能的情況竟然發生了，因為根據量子力學，沒有一樣東西叫真正的真空。」

「即使有真空空間 — 沒有光、沒有物質 — 量子力學也說它不可能是完全真空，當中仍然存在一些量子場的波動。這些波動會產生一種力，把兩個物體連接在一起，這就是凱西米爾效應。 因此當一件物體受熱並開始搖擺和振盪時，由於這些量子漲落，這些搖擺和振盪實際上可以通過真空傳遞給另一個物體。」

理論學者一直揣測，凱西米爾效應能幫助分子振動在真空中游走，但要透過實驗去證明卻非常艱難。研究團隊用了5年時間在一個完全無塵的乾淨房間中製造出極薄的氮化矽膜，並設計了一種精確控制和監測其溫度的方法，作出適當調控然後取得實驗成果。

團隊發現，經仔細選擇膜的尺寸和設計，可以在真空中將熱能傳導數百納米。這個距離的長度足以撇除其他可能的傳熱方式，例如熱輻射所攜帶的能量，即目前太陽傳熱到地球的方式。

張教授說，由於分子振動也是我們聽到聲音的基礎，這一發現也預示了聲音也可能可以通過真空傳播。

「二十五年前，當我在柏克萊進行博士生資格考試時，一位教授問我：『為什麼隔著桌子你仍能聽到我的聲音？』我回答說是因為聲音是通過分子在空氣中振動傳播。他追問：『如果我們將這個房間中所有空氣分子都抽走，你還能聽到我說話嗎？』我說不能，因為沒有振動的介質。今天我們發現了一種由量子真空漲落所形成，不需要介質的新真空傳熱模式，結果令人驚訝。所以我在1994年的考試是答錯了，其實透過真空，你可以大叫而別人能夠聽到。」

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