Группа физиков из нескольких университетов США объяснила, почему фононы (колебания атомов кристаллической решетки) могут туннелировать через вакуум между двумя твердыми телами. Для этого авторы разработали новую теорию теплопередачи между двумя изоляторами через зазор произвольной толщины, которую приняли к публикации в Nature Communications.
В рамках новой теории авторы описывали электромагнитные взаимодействия между атомами двух тел при помощи микроскопических
. Эти уравнения не используют понятия диэлектрической проницаемости (которое работает только на больших масштабах), а рассматривают в качестве основного параметра частоту колебаний атомов в решетке. Передачу энергии ученые описывают при помощи функции Грина - классического метода решения подобных задач.
Используя новую теорию для описания теплопередачи между двумя кристаллами NaCl, авторы получили хорошее совпадение с экспериментом и классическими теориями; как в случае больших зазоров (десятки нанометров и больше), так и в случае нулевого зазора, то есть контакта между двумя телами. В первом варианте передача тепла проходила за счет электромагнитного излучения, а во втором — за счет теплопроводности (колебания атомов).
Наиболее интересным предсказанием теории стало то, что в зазорах толщиной от нуля до одного нанометра новая теория предсказывает резкий скачок теплопроводности. Этот эффект ученые объясняют туннелированием через зазор фононов, которое происходит за счет электромагнитного взаимодействия краевых атомов. Похожий эффект хорошо
для электронов. Что касается фононов, то он был предсказан ранее для некоторых специфичных случаев, однако в новой работе получил объяснение «из первых принципов».
Эффекты туннелирования представляют собой как теоретический, так и практический интерес. Так, на туннелировании электронов построен целый класс методов сканирующей туннельной микроскопии (
). С их помощью можно, например, изучать строение отдельных электронных орбиталей в различных веществах. Фононное туннелирование, объясняющее скачок в теплопроводности при наличии нанометровых зазоров, может также найти применение в смежных областях. Например, с помощью нового формализма, возможно, удастся описать и объяснить явления, связанные с контактным сопротивлением на границе двух материалов.