Cuando los objetos estan muy juntos pueden impulsar la transferencia de calor y de radiación, según el nuevo estudio que muestra el desglose de la ley de PlanckUn bien establecida ley física describe la transferencia de calor entre dos objetos, pero algunos físicos desde hace tiempo predijeron que la ley se debe romper cuando los objetos están juntos. Los científicos nunca han sido capaces de confirmar, o medir este fracaso en la práctica. Por primera vez, sin embargo, los investigadores del MIT han logrado esta hazaña, y determinó que la transferencia de calor puede ser 1.000 veces mayor que lo que la ley prevé.

Los nuevos resultados podrían conducir a nuevas aplicaciones, incluyendo el mejor diseño de las cabezas de grabación de los discos duros de ordenador utilizados para almacenamiento de datos, y nuevos tipos de dispositivos para la recogida de la energía del calor que de otro modo se pierde.

La radiación del cuerpo negro de la ley Planck , formulada en 1900 por el físico alemán Max Planck, describe cómo la energía se disipa en forma de distintas longitudes de onda de radiación, de un ideal no reflectante objeto negro, llamado cuerpo negro. La ley dice que la importancia relativa de emisión térmica de la radiación en diferentes longitudes de onda sigue un patrón preciso que varía en función de la temperatura del objeto. La emisión de un cuerpo negro es generalmente considerada como lo máximo que un objeto puede radiar.

La ley funciona en la mayoría de los casos, pero el propio Planck había sugerido que cuando los objetos están muy próximos entre sí, las predicciones de su derecho se rompen. Pero en realidad el control de los objetos para mantener la pequeña separación necesaria para demostrar este fenómeno ha demostrado ser increíblemente difícil.

“Planck fue muy cuidadoso, diciendo que su teoría era válida sólo para los grandes sistemas”, explica Chen Gang, del MIT Richard Carl Soderberg profesor de Ingeniería de Potencia y director de la Micro y Nano Pappalardo de Laboratorios de Ingeniería. “Así que prevé este tipo de [distribución], pero la mayoría de la gente no sabe esto”.

Parte del problema en la medición de la energía se irradia cuando los objetos están muy cerca es la dificultad mecánica de mantenimiento de dos objetos muy cerca, sin dejar que ellos realmente tomen contacto. Chen y su equipo, Sheng Shen, estudiante graduado de la Universidad de Columbia y profesor Arvind Narayaswamy, resolver este problema de dos maneras, como se describe en un documento que se publicará en el mes de agosto número de la revista nano Cartas (ahora disponible en línea). En primer lugar, en lugar de utilizar dos superficies planas y tratando de mantener una pequeña distancia entre ellos, se utiliza una superficie plana junto a una pequeña serie de bolas de cristal, cuya posición es más fácil de controlar. “Si utilizamos dos superficies, es muy difícil empujar a escala nanométrica algunas partes sin tocar uno al otro”, explica Chen, pero con un cordón sólo hay un único punto de contacto cercano, que es mucho más fácil de mantener. Entonces, ellos utilizan la tecnología de la bi.-metálica cantilever de un microscopio de fuerza atómica para medir los cambios de temperatura con gran precisión.

“Hemos intentado durante muchos años haciéndolo con placas paralelas”, dice Chen. Pero con ese método, no fueron capaces de mantener la separación de menos de un micrón (una millonésima de un metro). Al usar el cristal (sílice) bolas, pudieron obtener separaciones tan pequeñas como 10 nanómetros (10 milmillonésimas

De un metro, o la centésima parte de la distancia logrado antes), y ahora están trabajando en conseguir aún más espaciado.

El profesor Sir John Pendry del Imperial College de Londres, quien ha realizado una amplia labor en este ámbito, pide los resultados “muy emocionado” señalando que desde hace mucho tiempo los teóricos de tal desglose previsto en la fórmula y la activación de un mecanismo más potente.

“Confirmación experimental ha demostrado ser difícil de alcanzar debido a la extrema dificultad en la medición de las diferencias de temperatura en distancias muy pequeñas”, dice Pendry. “Chen Gang, los experimentos de una bella solución a esta dificultad y confirmar la contribución dominante de campo cercano a efectos de transferencia de calor”.

En la situación actual de los sistemas magnéticos de grabación de datos – como los discos duros utilizados en las computadoras – el espacio entre la cabeza de grabación del disco y la superficie suele ser de 5 a 6 nanómetros gama, dice Chen. El jefe tiende a calentar, y los investigadores han estado buscando maneras de manejar el calor o incluso aprovechar el sistema de calefacción para el control de la brecha. “Es una cuestión muy importante para el almacenamiento magnético”, dice. Estas aplicaciones pueden ser desarrolladas con bastante rapidez, dice, y algunas empresas ya han mostrado un gran interés en este trabajo

Los nuevos resultados también podrían ayudar en el desarrollo de nuevos dispositivos de conversión de energía fotovoltaica para aprovechar los fotones emitidos por una fuente de calor, llamado termo fotovoltaico dice Chen. “El elevado flujo de fotones puede permitir una mayor eficiencia y densidad de energía termofotovoltaica en convertidores de energía, y los nuevos dispositivos de conversión de energía”, dice.

Los nuevos hallazgos podrían tener “un gran impacto”, dice Shen. Personas que trabajan con los dispositivos que utilizan pequeñas separaciones ahora tendrá un claro entendimiento de la ley de Planck “no es una limitación fundamental”, como muchas personas piensan, dice. Pero es necesario trabajar más para explorar aún más espaciado, dice Chen, porque “no sabemos exactamente lo que es el límite” en términos de la cantidad de calor puede ser disipado en poco sistemas espaciados. “La teoría en curso no será válido una vez que se presiona hacia abajo a 1 nanómetro el espaciamiento”.

Y además de las aplicaciones prácticas, dice, esos experimentos “podría proporcionar una herramienta útil para comprender la física básica.”

El trabajo fue financiado por los EE.UU. Departamento de Energía de la Fuerza Aérea y la Oficina de Investigación Científica.

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