重磅突破：發現如何利用量子力學“鎖定”熱量！

發現如何利用量子力學“鎖定”熱量！新加坡國立大學(NUS)科學家進行了一項突破性的研究，揭示了一種利用量子機械波理論將熱量“鎖定”在一個固定位置的方法。通常，熱源通過導電材料擴散直到消散，但新加坡國立大學工程學院電子與計算機工程系副教授邱成偉(Cheng-Wei Qiu，音譯)和團隊使用了反時間對稱(APT)原理，證明了將熱量限制在金屬環的一個小區域內，而不隨時間擴散是可能的。

“鎖定”熱量傳播

在未來，這個新發現的現象可以用來控制複雜熱擴散和優化需要冷卻的系統效率，其研究成果發表在《科學》上。想象一下，在流動的小溪裡有一滴墨水。過了一小段時間，你就會看到墨水沿著溪流的方向擴散和流動。現在想象一下，如果墨滴和周圍的水保持相同的大小和位置。實際上，這就是該研究通過實驗中熱量傳播所取得的成果。本研究實驗裝置是兩個相對旋轉的金屬環，中間夾著一層薄薄的油脂。

環的旋轉運動就像場景中的溪流一樣，通過APT對稱原理，將一個旋轉環與反旋轉環耦合，使系統中某一點的熱注入時，熱能能夠保持在一定的位置。為了使實驗成功，實驗條件是相當精確的，根據量子力學理論，你可以計算出環所需的速度。如果速度太慢或太快，就會打破這種狀況。當這些條件被打破時，系統就會按常規工作，當圓環旋轉時，熱量就會向前傳遞。

逆流而上，不違反物理定律

將APT對稱原理應用於涉及熱系統，完全背離了當前這一領域的思想流派。這與當前流行的研究主題截然不同。在這一領域，許多研究小組正在研究對等時間(PT)對稱設置，其中幾乎大部分研究的是波動力學。這是第一次有人走出波的領域，並證明了恰當的對稱性適用於熱等基於擴散的系統。這種在移動金屬內部展示一個固定區域的熱似乎違反直覺，Assoc邱教授表示：在這項研究之前，人們實際上認為這是一個禁區。

但研究團隊可以解釋所有這一切，實際上，Assoc邱教授和團隊之所以能夠控制熱量，是因為他們巧妙的實驗裝置引入了額外的自由度——圓環的旋轉為了使恰當的對稱性在一個系統中變得重要，setup中必須有一些損益元素——而且它們需要平衡。在傳統的熱擴散系統中，由於沒有自由的增益或損失程度，適當的對稱性並不重要，因此，機械轉動是關鍵因素。

潛在的應用和下一步

許多現代技術要求有效地散熱，像發動機這樣的機械裝置，以及計算和電子元件都需要有效地冷卻。目前，大多數技術都是通過穩定的液體流動來冷卻，通過對流帶走熱量。這個實驗表明，在確定這些系統的流量和設計時，需要更加小心。雖然實驗裝置包含反向旋轉的金屬環，但同樣的原理也適用於其他通量裝置。

人們的感覺是，血液循環會簡單地帶走熱量，但並不總是那麽簡單。接下來，研究小組希望擴大實驗規模，目前裝置在厘米級範圍內，所以研究團隊想把它擴大到真正的電機或傳動系統大小。齒輪系統通常有類似的反旋轉機制，這將產生熱量，所以也希望應用理論來更有效地散熱。

博科園｜研究/來自：新加坡國立大學

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aaw6259

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