Una ley de física fundamental acaba de fallar una prueba utilizando objetos a nanoescala

Una ley de física fundamental acaba de fallar una prueba utilizando objetos a nanoescala

Una ley de física fundamental acaba de fallar una prueba utilizando objetos a nanoescala La ley de Planck de la transferencia de

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Una ley de física fundamental acaba de fallar una prueba utilizando objetos a nanoescala

Una ley de física fundamental acaba de fallar una prueba utilizando objetos a nanoescala

La ley de Planck de la transferencia de calor radiativo se ha mantenido bien bajo un siglo de pruebas intensas, pero un nuevo análisis ha encontrado que falla en las escalas más pequeñas.

Exactamente lo que esto significa aún no está del todo claro, pero cuando las leyes fallan, pueden surgir nuevos descubrimientos. Tal descubrimiento no solo afectaría a la física en una escala atómica: podría afectar todo, desde los modelos climáticos hasta nuestra comprensión de la formación planetaria.

La ley fundamental de la física cuántica fue recientemente puesta a prueba por investigadores de William & Mary en Virginia y la Universidad de Michigan, que tenían curiosidad sobre si la antigua regla podría describir la forma en que los objetos a nanoescala emiten radiación de calor.

No solo falla la ley, el resultado experimental es 100 veces mayor que la cifra pronosticada, lo que sugiere que los objetos a nanoescala pueden emitir y absorber calor con una eficiencia mucho mayor que la que pueden explicar los modelos actuales.

“Eso es lo que pasa con la física”, dice el físico de William & Mary Mumtaz Qazilbash .

“Es importante medir algo experimentalmente, pero también es importante entender realmente lo que está sucediendo”.

Planck es uno de los grandes nombres de la física. Si bien sería engañoso atribuir el nacimiento de la mecánica cuántica a un solo individuo, su trabajo jugó un papel clave en poner en marcha la pelota.

Los humanos han sabido desde la antigüedad que las cosas calientes brillan con luz. También hemos entendido durante bastante tiempo que existe una relación entre el color de esa luz y su temperatura.

Para estudiar esto en detalle, los físicos del siglo XIX medirían el color de la luz dentro de una caja negra y calentada, mirando a través de un pequeño agujero. Esta “radiación del cuerpo negro” proporcionó una medida razonablemente precisa de esa relación.

Proponer fórmulas simples para describir las longitudes de onda del color y sus temperaturas resultó ser bastante desafiante, por lo que Planck llegó desde un ángulo ligeramente diferente.

Su enfoque fue tratar la forma en que la luz se absorbe y se emite como un columpio de péndulo, con cantidades discretas de energía que se absorbe y se escupió. No es que realmente pensara que este era el caso, era solo una forma conveniente de modelar la luz.

Por extraño que parezca al principio, el modelo funcionó a la perfección. Esta “cantidad” de enfoque energético generó décadas de debate sobre la naturaleza de la realidad y ha llegado a formar los cimientos de la física tal como la conocemos.

La ley de Planck de la transferencia de calor radiativo informa una teoría que describe una frecuencia máxima a la cual la energía térmica puede emitirse desde un objeto a una temperatura dada.

Esto funciona extremadamente bien para objetos visibles separados a una distancia visible. Pero, ¿y si empujamos esos objetos juntos, para que el espacio entre ellos no sea una sola longitud de onda de la luz que se está emitiendo? ¿Qué pasa con ese ‘swing péndulo’?

Físicos bien versados ​​en la dinámica del electromagnetismo ya saben que cosas raras suceden aquí en esta área, conocida como la región de ” campo cercano “.

Por un lado, la relación entre los aspectos eléctricos y magnéticos del campo electromagnético se vuelve más compleja.

La forma en que esto podría afectar la forma en que interactúan los objetos calientes ya ha sido el foco de investigaciones previas , que ha establecido algunas grandes diferencias en cómo se mueve el calor en el campo cercano en comparación con el campo lejano observado por Planck.

Pero eso es solo si la brecha está confinada a una distancia menor que la longitud de onda de la radiación emitida. ¿Y el tamaño de los objetos?

Los investigadores tenían un gran desafío por delante. Tuvieron que diseñar objetos de un tamaño inferior a 10 micrones, la longitud aproximada de una onda de luz infrarroja.

Se establecieron en dos membranas de nitruro de silicio de apenas media micra de espesor, separadas por una distancia que las colocaba bien en el campo lejano.

Calentar uno y medir el segundo les permitió probar la ley de Planck con bastante precisión.

“La ley de radiación de Planck dice que si aplicas las ideas que formuló a dos objetos, entonces deberías obtener una tasa definida de transferencia de energía entre los dos”, dice Qazilbash .

“Bueno, lo que hemos observado experimentalmente es que la tasa es en realidad 100 veces mayor que la ley de Planck predice si los objetos son muy, muy pequeños”.

Qazilbash lo compara con el punteo de una cuerda de guitarra en diferentes lugares a lo largo de su longitud. “Si lo arrancas en esos lugares, va a resonar a ciertas longitudes de onda de manera más eficiente”.

La analogía es una forma útil de visualizar el fenómeno, pero comprender los detalles de la física detrás del descubrimiento podría tener un gran impacto. No solo en nanotecnología, sino en una escala mucho más grande.

Esta velocidad hipereficiente de transferencia de energía podría cambiar de manera factible la forma en que entendemos la transferencia de calor en la atmósfera o en un cuerpo de refrigeración del tamaño de un planeta. El alcance de esta diferencia sigue siendo un misterio, pero uno con algunas implicaciones potencialmente profundas.

“Donde sea que tengas radiación desempeñando un papel importante en la física y la ciencia, ahí es donde este descubrimiento es importante”, dice Qazilbash .

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