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La Ley de Planck falla a distancias de nanoescala

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pablov

entradas: 1712

00:39 28/08/2009

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Cuando los objetos están muy juntos, puede aumentar la transferencia de calor y de radiación, dice el nuevo estudio sobre la ley de Planck

Esta bien establecida ley física describe la transferencia de calor entre dos objetos, pero algunos físicos predijeron hace tiempo que la ley se debe romper cuando los objetos están muy juntos.
Los científicos nunca han sido capaces de confirmar, o medir, este fallo en la práctica. Y ahora, por primera vez, los investigadores del MIT han logrado esta hazaña, determinandoó que la transferencia de calor puede ser 1.000 veces mayor de 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 recoger energía calórica, 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 se disipa la energía en forma de distintas longitudes de onda de radiación en un objeto ideal, no reflectante, 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. Se considera generalmente que la emisión de cuerpo negro es la máxima que puede radiar un objeto.

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 ley se rompen. Pero en realidad, controlar los objetos para mantener la pequeña separación necesaria para demostrar este fenómeno resultó ser increíblemente difícil.
“Planck fue muy cuidadoso, diciendo que su teoría era válida sólo para los grandes sistemas”, explica Chen Gang, profesor del MIT . “Así que prevé este tipo de [ruptura], pero la mayoría de la gente no sabe esto”.
Parte del problema en la medición de la manera en que se irradia la energía cuando los objetos están muy cerca es la dificultad mecánica de mantener dos objetos muy cerca, sin permitir que tomen contacto. Chen y su equipo, Sheng Shen, estudiante graduado de la Universidad de Columbia y el profesor Arvind Narayaswamy, resolvieron este problema de dos maneras, como se describe en un documento que se publica en la revista Nano Letters. En primer lugar, en lugar de utilizar dos superficies planas y tratar de mantener una pequeña distancia entre ellas, se utiliza una superficie plana próxima a pequeñas 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 una con la otra”, explica Chen, pero utilizando una esfera, sólo existe un único punto de contacto posible, algo mucho más fácil de mantener. Ellos utilizaron, entonces, un microscopio de fuerza atómica con la técnica de la barra bimetálica para medir los cambios de temperatura con gran precisión.

“Hemos intentado hacerlo durante muchos años 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 bolas de cristal (de silicio), pudieron obtener separaciones tan pequeñas como 10 nanómetros (10 milmillonésimas de un metro, o la centésima parte de la distancia lograda antes), y ahora están trabajando para conseguir aún más cercanía.
El profesor Sir John Pendry, del Imperial College de Londres, quien ha realizado una amplia labor en este ámbito, dice que los resultados lo han dejado “muy emocionado”, señalando que los teóricos han previsto desde hace mucho tiempo este fallo en la fórmula y que se activaría un mecanismo más potente.
“La confirmación experimental se ha demostrado elusiva debido a la extrema dificultad de medir diferencias de temperatura en distancias muy pequeñas”, dice Pendry. “Los experimentos de Chen Gang son una bella solución de esta dificultad y confirman la contribución dominante de los efectos de campo cercano en la transferencia de calor”.

En la situación actual de los sistemas de grabación de datos magnéticos —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, dice Chen. El cabezal tiende a calentarse, y los investigadores han estado buscando maneras de manejar el calor, o incluso aprovechar el calor para controlar la separación. “Es una cuestión muy importante en el almacenamiento magnético”, dice. Se pueden desarrollar estas aplicaciones 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 que aprovechan los fotones emitidos por una fuente de calor, llamados termo-fotovoltaicos, dice Chen. “El elevado flujo de fotones puede permitir una mayor eficiencia y densidad de energía termofotovoltaica en convertidores de energía, y en los nuevos dispositivos de conversión de energía”.
Los nuevos hallazgos podrían tener “un gran impacto”, dice Shen. Personas que trabajan con dispositivos que utilizan pequeñas separaciones tendrán ahora un claro entendimiento de que la ley de Planck “no es una limitación fundamental”, como muchas personas piensan. Pero es necesario trabajar más para explorar con separaciones aún más pequeñas, dice Chen, porque “no sabemos exactamente cuál es el límite” en términos de la cantidad de calor que se puede disipar en sistemas muy cercanos. “La teoría actual no será válida una vez que alcancemos menos de 1 nanómetro de espaciamiento”.

Y además de las aplicaciones prácticas, dice, estos experimentos “pueden proporcionar una herramienta útil para comprender la física básica”.
El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de la Fuerza Aérea y la Oficina de Investigación Científica de los EEUU.

Fuente: MIT.