מוליכות חום הינה אחת התופעות הנפוצות והמוכרות לכולנו בחיי יום-יום. חום עובר מגופים חמים לגופים קרים באמצעות מנגנונים שונים: הולכת חום - באמצעות התקדמות של תנודות בחומר, הסעת חום - באמצעות זרימה של חומר, ולבסוף באמצעות קרינה של גלים אלקטרומגנטיים, כגון חום השמש. בדרך כלל מקובל לחשוב על מוליכות חום כעל תופעה פיסיקלית קלאסית, אולם מסתבר שיש לה אספקט מעניין גם במכאניקה קוונטית.

בניסוי שדווח לאחרונה, אשר בוצע על-ידי חוקרים מפינלנד וצרפת, נמדד מעבר חום בין שני חלקי מתכת המוחזקים בטמפרטורות שונות [ראו תמונה], המחוברים ביניהם באמצעות חיבורים על-מוליכים. חיבורים אלו הינם מבודדים אידיאליים כנגד מעבר חום רגיל באמצעות הולכה והסעה של חום.

החוקרים מדדו את קצב מעבר החום בקרינה בין שני חלקי המתכת. בניסוי הקרינה עוברת בתוך החיבורים העל-מוליכים, אשר מהווים מוליך גלים, אשר מאפשר רק לאופן תנודה אחד להתנדנד בשדה הקרינה. דבר זה דומה לחבל המוחזק בשני קצותיו על-ידי שני ילדים המנדנדים אותו בקצב קבוע. החוקרים הראו כי בטמפרטורות נמוכות, מוליכות החום מוגבלת לערך אשר מכיל את הקבוע הקוונטי h, קבוע פלנק [קבועים נוספים: - קבוע בולצמן, T-

הטמפרטורה הממוצעת בין הגופים]. גודל זה נקרא מוליכות חום קוונטית (): גודל המתאר מהו הספק החום המכסימלי שיכול לעבור באמצעות אופן תנודה יחיד זה בין שני גופים הנמצאים בהפרש טמפרטורות נתון .

בשנת 1983 הודגם תיאורטית, כי לחלקיקים בעלי חוקי התנהגות קוונטיים שונים ביותר (בוזונים או פרמיונים), אותה מוליכות חום קוונטית, כאשר הגל המאפיין אותם מוגבל בתנודתו לאופן תנודה יחיד. התנאים בהם גל הינו מוגבל לאופן תנודה יחיד מתקיימים בדרך כלל כאשר אורך הגל הינו מסדר הגודל של הרוחב של מוליך הגלים בו הוא נתון. לכן הולכת חום אלקטרומגנטית באמצעות אופן אחד הינה משמעותית במיוחד עבור מבנים ננומטריים [ננומטר = מליארדית המטר]. ניסיונית, מוליכות חום קוונטית הודגמה בעבר באמצעות הולכת חום (מנגנון שונה מקרינה) בחוטים מבודדים חשמלית בעלי עובי תת-מיקרוני.

למדידת מוליכות החום הקוונטית יש השלכות מעשיות ותיאורטיות - למשל לגבי הביצועים של התקנים רגישים במיוחד בטמפרטורות נמוכות, כגון מודדי קרינה תת-אדומה, אשר פעולתם תלויה במידה רבה במוליכות החום הנמוכה בינם לבין סביבתם: לא ניתן להניח כי אין מעבר חום מההתקן אל הסביבה רק על-ידי בידודו המכאני והחשמלי, אלא יש להנדס גם את סביבתו הקרינתית. למשל, אם נוודא כי קיימים רק מספר בודד של אופני הולכת חום בין ההתקן לבין סביבתו, נוכל בוודאות לדעת כי ישנו קצב איבוד חום מכסימלי על-ידי קרינה. לעיתים מעוניינים דווקא בהגברה של איבוד חום, למשל בגבם של מיקרו-מקררים, או נגדים, וגם אז יש לקחת את המוליכות הקוונטית המכסימלית בחשבון בתכנון.

אספקט תיאורטי נוסף מעניין, בעל השלכות רבות מעשיות, הינו כי ניסוי זה מחזק את הסברה כי קיים גבול גם למעבר אינפורמציה בין גופים. הדבר נובע מתוך הקשר שהוכיח המתמטיקאי קלוד שאנון ב-1948 בין אינפורמציה לאנטרופיה, שהינה גודל תרמודינמי שמשתנה בגופים ביניהם עובר חום. ישנה לכן סברה כי הקבוע של מוליכות החום הקוונטית הינו בעל משמעות עמוקה אף יותר. כמובן שקשר כזה, אם קיים, יהיה רלוונטי ליישומים עתידיים של מחשבים זעירים ולכל התחום של חישוביות קוונטית.
     

בבליוגרפיה

[1] M. Meschke, W. Guichard & J. P. Pekola, Single-mode heat conduction by photons,
Nature 444, 187 (Nov. 2006).

[2] K. Schwab, Information on heat, Nature 444, 161 (Nov. 2006).

 

מאת: ערן גנוסר
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.