Un fallo en la ley de Plank

La sospecha mantenida desde hace tiempo de que la Ley de Planck se viola a escalas de longitud microscópicas ahora tiene el respaldo de las pruebas experimentales.

Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Columbia han demostrado que la Ley, que relaciona la radiación producida por un objeto con su temperatura, subestima en tres órdenes de magnitud el calor irradiado cuando dos objetos están separados sólo 30 nm.

Este calor radiativo transferido a las medidas – las primeras a esta longitud de escala — fue llevado a cabo añadiendo una capa de oro a la balanza de un microscopio de fuerza atómica (AFM) de tal forma que se movía con la cantidad de calor transferido.

Dudas de Planck

Esta formula vio la luz en el año 1900, Max Planck siempre tuvo la sospecha que la ley que formuló no era precisa para escalas de longitud comparables a la longitud de onda de la radiación térmica, más conocido como el campo cercano. Los cálculos de radiación a estas distancias microscópicas siguieron en la década de 1950, pero la verificación experimental se mostró esquiva — hasta ahora.

Probar la Ley de Planck en el campo cercano requiere mantener dos objetos muy cerca, pero evitando que se toquen. “Lo intentamos durante muchos años con placas paralelas”, dice Gang Cheng del MIT. Pero con ese método, la mejor separación sostenible era de una micra o más.

Cambiar a una aproximación basada en AFM fue la clave del éxito. Uniendo una pequeña bola redonda de vidrio al ápice de la balanza, los investigadores realizaron separaciones de decenas de nanómetros. La ventaja de usar un objeto esférico es que es mucho más fácil de mantener la distancia entre un único punto y una superficie, que entre dos superficies.

Mitigando la conducción

El equipo de Cheng midió los índices de transferencia de calor entre la bola de vidrio y tres tipos distintos de sustrato: vidrio, silicio dopado y oro. Los experimentos se realizaron bajo vacío para eliminar una conducción significativa del calor a través del aire.

Los investigadores golpearon la capa de oro de la balanza con un láser de 650 nm, el cual calentó la esfera la cual irradió calor y se enfrió. La cantidad de esta pérdida de calor se revela por la consiguiente curvatura de la balanza, la cual está provocada por la diferencia de expansión térmica de los dos materiales.

El mayor coeficiente de transferencia de calor se encontró que tenía lugar entre la bola de vidrio y el sustrato de vidrio. Estos materiales polares dieléctricos tienen polaritones de fonones de superficie – los cuales se crean por acoplamiento resonante entre el campo electromagnético y los fonones ópticos en dieléctricos polares – y mejoran mucho la radiación de campo cercano.

Cabezas de grabación mejoradas

Los esfuerzos de Chen y sus colaboradores podrían mejorar el diseño térmico de las cabezas grabadoras actuales en los discos duros, las cuales están separadas de los discos 5-7 nm. Un resistor en la cabeza provoca que se caliente, y este reciente trabajo podría permitir a los ingenieros gestionar este calor, o incluso usarlo para controlar el hueco.

“También hay compañías mirando en la tecnología de grabación magnética asistida por calor”, dice Chen. Una opción para incrementar la densidad de almacenamiento de datos es disminuir el tamaño de los bits de datos, pero su son demasiado pequeños tiene lugar la pérdida de datos debido a las fluctuaciones magnéticas del dominio. “La gente ha diseñado imanes mucho más duros para evitar tales fluctuaciones, pero es difícil escribir en imanes duros. Usando el calor local, se pueden escribir los datos”, añade.

El próximo objetivo de los investigadores es repetir sus medidas a distancias de separación más cortas. “La rugosidad de la superficie es un gran reto”, dices Chen, “y otros problemas son la estabilidad mecánica y limpieza de las superficies – ambas difíciles de cuantificar”.