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Parece que han demostrado que en un montaje de tipo Casimir el calor pasaría de una de una placa caliente a otra más fría a través del vacío y sin que medie radiación.

El segundo principio de la termodinámica nos dice que el calor pasa espontáneamente de los cuerpos calientes a los fríos, pero no al revés. Para poderlo hacer la revés se necesita un consumo de energía, que es lo que hace un frigorífico.

De pequeños nos dijeron que el calor se transfería por convección (en fluidos), radiación y transmisión. En el último caso, si no fijamos en la escala atómica, veremos que el calor se mueve gracias a los fonones, que son vibraciones acústicas de la red cristalina. Esta es la razón por la que algunos objetos nos parecen más fríos que otros. Los objetos cristalinos pueden propagar los fonones muy bien, mientras que un amorfo no. Un pieza de mármol es cristalina, mientras que un trozo de plástico no, así que el primero nos será más frío al tacto que el amorfo al robarnos calor de la mano más rápidamente, pese a que los dos tengan la misma temperatura.

Por tanto, los fonones son fundamentales a la hora de transferir calor a la red cristalina. Desde un punto de vista clásico, si quitas la red cristalina eliminas los fonones y, por tanto, el calor no se podrá transmitir de esa manera y se las tendrá que apañar de otro modo, por ejemplo se podrá transmitir por radiación. Bueno, si uno considera la Mecánica Cuántica puede que haya una escapatoria y haya fonones incluso en el vacío.

Esto de las propiedades cuánticas del vacío se puede ilustrar muy bien con el efecto Casimir. Se pueden colocar en el vacío dos placas metálicas paralelas muy cerca una de otra y entonces aparecerá una fuerza entee ellas que tenderá a juntarlas debido a las fluctuaciones cuánticas del vacío. Esto es algo que se propuso en su día y que fue comprobado experimentalmente más tarde.

En 2011 se propuso que en un montaje de tipo Casimir el calor pasaría de una de las placas a la otra si la primera se mantenía a mayor temperatura. Lo fascinante es que esto se daría en el vacío y sin que mediara radiación, sino la existencia de fonones virtuales en el vacío, es decir, sin que haya red cristalina alguna y sin que haya radiación electromagnética alguna. Esto es precisamente lo que parece que se acaba de demostrar experimentalmente ahora y ha sido publicado en Nature hace unos días.

La Mecánica Cuántica nos dice que el espacio vacío nunca está realmente vacío. La realidad sería siempre borrosa y no se podría determinar con total exactitud la posición y la cantidad de movimiento de una partícula. Este principio de incertidumbre permite, además, la existencia de partículas surgidas de la nada durante un corto periodo de tiempo. Serían estas partículas virtuales la que llenarían el vacío.

Xiang Zhang (University of California, Berkeley) es el autor principal del estudio publicado en Nature el pasado día 11 de diciembre. Él y sus colaboradores han realizado un montaje de tipo Casimir tras un trabajo de 4 años en el que la separación de las placas era de entre 600 y 800 nm.

Las láminas o membranas vibraban a 191 600 ciclos por segundo, resonando a la misma frecuencia. Dos objetos resonando a la misma frecuencia tienden a intercambiar energía de un modo más eficiente. Básicamente se trata de un sistema de resonadores.

Estas láminas estaban perfectamente paralelas y sus superficie era tan suave que no había variaciones mayores que 1,5 nm. Estaban recubiertas de oro y un rayo laser permitía medir su estado de vibración gracias a la interferometría óptica.

Las placas estaban aisladas térmicamente por el vacío entre ellas. La caliente estaba a 312.5 K y la fría a 287.0 K. A esas separaciones observaron una transferencia de calor de Casimir que crecía al decrecer la distancia entre placas. Por debajo de 400 nm vieron que se producía la termalización de ambas placas y ambas alcanzaban una temperatura de unos 305 K.

Con estos datos los investigadores pudieron calcular que que la transferencia de energía entre placas era de 6,5 × 10^-21 julios por segundo. A ese ritmo se tardarían en hacer el proceso 50 segundos, si esa misma energía se emitiera en solo fotón de luz.

Una interpretación es que los fonones de la placa caliente transferirían energía térmica a los fonones virtuales del vacío y estos, a su vez, lo harían con los fonones de la red cristalina de la otra placa.

La cuestión de si las fluctuaciones cuánticas pueden ayudar a los fonones a transferir calor en el vacío es algo que se ha discutido en círculos académicos y que no está clara. Los autores del artículo ni siquiera parecen atreverse a afirmar algo así. Quizás otros fenómenos realicen la transferencia de calor. Puede que se pueda decir que este fenómeno sea algo así como un efecto túnel de fonones entre ambas placas a través del vacío que las separa. La transmisión por radiación de ondas electromagnéticas queda descartada pues el efecto observado depende de la frecuencia y ello no es posible para el caso de la radiación electromagnética.

El hallazgo podría tener aplicaciones tecnológicas, sobre todo en dispositivos nanomecánicos. Por ejemplo, el fenómeno jugaría un papel en la transferencia de calor entre la cabeza lectora y el disco de un disco duro magnético, pues en estos casos la distancias es ya de sólo 3nm.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.

Ilustración: King Yan Fong, Hao-Kun Li, Rongkuo Zhao, Sui Yang, Yuan Wang y Xiang Zhang