2009年7月30日
一个完善的物理定律描述了两个物体之间的热传递，但一些物理学家长期以来预测，当物体非常接近时，该定律将失效。科学家们一直无法在实践中确认或测量这种分解。然而，第一次，麻省理工学院研究人员已经实现了这一壮举，并确定热传递可以比定律预测的大1000倍。
这些新发现可能会带来重大的新应用，包括更好地设计用于计算机数据存储的硬盘记录磁头，以及新型设备，用于从热量中收集能量，否则这些能量会被浪费掉。
普朗克黑体辐射定律，由德国物理学家马克斯·普朗克在1900年提出，描述了能量是如何从一个理想化的非反射黑色物体(称为黑体)以不同波长辐射的形式消散的。该定律指出，不同波长的辐射的相对热辐射遵循一种精确的模式，这种模式根据物体的温度而变化。黑体的辐射通常被认为是一个物体能辐射的最大辐射。
这一定律在大多数情况下都是可靠的，但普朗克自己曾表示，当物体非常接近时，他的定律的预测就会失效。但事实证明，控制物体保持微小的分离是非常困难的。
麻省理工学院卡尔·理查德·索德伯格（Carl Richard Soderberg）动力工程教授、帕帕拉尔多微纳工程实验室主任陈刚（Gang Chen）解释说：“普朗克非常小心，说他的理论只适用于大型系统。”。“所以他有点预料到了（崩溃），但大多数人并不知道这一点。”
当物体非常接近时，测量能量辐射方式的部分问题是，在机械上很难保持两个物体非常接近，而不让它们实际接触。Chen和他的团队，研究生Sheng Shen和哥伦比亚大学教授Arvind Narayaswamy，用两种方法解决了这个问题，这篇论文将发表在八月份的Nano Letters杂志（现已在线提供）上。首先，他们没有使用两个平面并试图保持它们之间的微小间隙，而是在一个小的圆形玻璃珠旁边使用一个平面，其位置更容易控制。“如果我们使用两个平行的表面，很难在没有部分相互接触的情况下推动到纳米级，”陈解释说，但通过使用珠子，只有一个接近接触的点，这更容易保持。然后，他们利用原子力显微镜的双金属悬臂梁技术，以极高的精度测量温度变化。
“我们用平行板做了很多年，”陈说。但在这种方法下，它们无法维持比一微米(百万分之一米)更近的距离。通过使用玻璃(二氧化硅)珠，他们能够获得小至10纳米(100亿分之一米，或百分之一的距离)的分离，现在正在研究更近的间距。
伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的约翰·彭德利爵士（Sir John Pendry）教授在这一领域做了大量工作，他称研究结果“非常令人兴奋”，并指出，理论家早就预测到了公式的这种崩溃以及更强大机制的激活。
潘德利说：“由于在很短的距离内测量温差极为困难，实验结果难以得到证实。”。“陈刚的实验为这一难题提供了一个漂亮的解决方案，并证实了近场效应对传热的主要贡献。”
陈说，在今天的磁数据记录系统中，例如计算机中使用的硬盘，记录头和磁盘表面之间的间距通常在5到6纳米范围内。头部容易发热，研究人员一直在寻找控制热量的方法，甚至利用热量来控制间隙。“这对于磁存储来说是一个非常重要的问题，”他说。他说，这样的应用程序可以很快开发出来，一些公司已经对这项工作表现出浓厚的兴趣
陈说，这项新发现还有助于开发新的光伏能源转换设备，以利用被称为热光伏的热源发出的光子。他说:“高光子通量可以潜在地使更高的效率和能量密度的热光伏能量转换器和新的能量转换设备成为可能。”
沈说，新发现可能具有“广泛的影响”。他说，使用小型分离装置的人们现在将清楚地认识到，普朗克定律“并不像许多人现在认为的那样是一个根本性的限制”。但是，陈说，还需要进一步的研究来探索更近的间距，因为“我们还不知道在紧密间隔的系统中可以散发多少热量的极限是什么”。“一旦我们将间距缩小到1纳米，当前的理论将无效。”
他说，除了实际应用，这样的实验“可能为理解一些基础物理学提供有用的工具。”
这项工作由美国能源部和空军科学研究办公室资助。