흔히 열은 복사, 대류, 전도의 형태로 전달되고 열이 전달되기 위해서는 진동하는 물질인 매질이 필요하다. 좀 더 자세하게는 ‘포논(phonon)’이라고 하는 진동 알갱이가 열전달 매개체로 작동한다.
그런데 최근 매질이 없는 진공에서도 열이 전달될 수 있다는 연구 결과가 나왔다.
장시양 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 기계공학과 교수팀은 100nm(나노미터· 1nm는 10억분의 1m) 두께의 질화규소에 75nm 두께의 금을 코팅한 멤브레인(막) 두 개를 준비하고, 두 막을 진공에서 1200nm 거리에 배치했다.
그리고 막 하나를 가열해 온도가 25도가량 차이나게 만든 뒤, 둘 사이의 거리를 조금씩 좁혔다. 그리고 온도를 측정했다.
그 결과 두 막은 완벽히 붙지 않았음에도 차츰 온도가 같아졌다. 진공 상태에서 열전도가 발생한 것이다. 연구팀은 두 막 사이의 전자기장 등 물리량을 측정해 ‘카시미르 효과(casimir effect)’에 의한 양자 요동 때문이라고 결론지었다.
카시미르 효과는 두 개의 금속판이 가까워지면 척력이나 인력 등의 힘이 발생하는 현상이다. 고전 물리 이론에서는 진공에서 이러한 힘이 발생하지 않아야 하지만, 양자역학 이론에 따르면 두 금속판 사이의 가상의 입자에 의해 미세한 양자화 장이 생성되고, 이런 양자 요동을 통해 열이 전달된다.
장 교수는 “진공에서도 양자 요동으로 열이 전달되는 새로운 기작을 알아냈다”며 “이런 원리를 이용하면 나노미터 크기의 양자 진공에서 에너지를 손쉽게 전송할 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처’ 12월 11일자에 실렸다. doi: 10.1038/s41586-019-1800-4
