新加坡国立大学(NUS)的研究人员进行的一项突破性研究揭示了一种利用量子力学波理论将热量“锁定”到固定位置的方法。
通常情况下，热源会通过导电材料扩散直至消散，但新加坡国立大学工程学院电气与计算机工程系副教授邱成伟及其团队使用了反平价时间原理(APT) )对称性表明，可以将热量限制在金属环的一小部分区域，而不会随着时间的推移而扩散。
将来，这种新证明的现象可用于以复杂的方式控制热扩散，并优化需要冷却的系统的功效。该研究的结果于2019年4月12日发表在“ 科学 ”杂志上。
冻结热量的传播
“想象一下，在流动的水流中留下一滴墨水。经过一段时间后，你会看到墨水在电流方向上扩散并流动。现在想象一下，如果墨水墨滴保持与水相同的大小和位置相同在我们的实验中，有效地这就是我们在热量传播方面所取得的成就，“邱副教授解释道。
这项研究的实验装置是两个相反旋转的金属环，夹在一起，涂上一层薄薄的油脂。环的旋转运动就像场景中的流的流动一样。当在系统中的一点处注入热量时，热能能够保持在适当位置，因为一个旋转环通过APT对称原理耦合到反向旋转环。
该实验的条件非常精确，以使其成功。“从量子力学理论，你可以计算出环所需的速度。太慢或太快，你就会破坏这个条件，”邱副教授说。当条件被破坏时，系统通常起作用，并且当环旋转时热量被向前传送。
以0.5 rpm的转速旋转，左边的实验系统显示环的最热(白色)部分在移动时固定在底部。右边的参考显示了环的最热部分与其运动一起移动。图片来源：新加坡国立大学
逆势而上
将APT对称原理应用于涉及热量的系统完全背离了该领域当前的思想流派。“它与目前流行的研究课题截然不同。在这个领域，许多团队正在研究奇偶时间(PT)对称设置，而且他们几乎都在研究波动力学。这是第一次有人走出波浪的领域，并表明APT对称性适用于基于扩散的系统，如热，“邱副教授说。
正如邱副教授所承认的那样，这种在移动金属中固定热量区域的示范似乎是违反直觉的，“在这项研究之前，人们实际上认为这是一个禁区，但我们可以解释所有这些。它不违反任何法律。物理。” 实际上，邱副教授和他的团队能够控制热量的原因是通过在他们的巧妙实验设置中引入额外的自由度 - 环的旋转
“为了使APT对称性在系统中变得重要，在设置中必须有一些损失和增益元素 - 它们需要平衡。在传统的热扩散系统中，APT对称性不是重要因素，因为没有增益或损失因此，机械旋转是这里的关键角色，“他解释说。
潜在的应用和后续步骤
许多现代技术需要有效地去除热量。需要有效冷却诸如发动机之类的机械装置以及计算和电气部件。目前，大多数技术都是通过稳定的液体流动来冷却，以通过对流带走热量。
“这项实验表明，在确定这些系统的流速和设计时，我们需要更加小心，”邱副教授说。虽然他的实验装置包含反向旋转的金属环，但相同的原理可以应用于其他通量设置。“人们认为，流通会简单地带走热量，但并不总是如此直截了当，”他补充道。
接下来，该团队正在寻求增加实验规模。“目前我们的设置在厘米范围内，因此我们希望将其扩展到真实电机或齿轮系统的尺寸。齿轮系统通常具有类似的反向旋转机制，这将产生热量，因此我们希望应用理论为了更有效地消散这种热量，“邱副教授说。