华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室武海斌教授带领的研究团队实现了新的热传递方式，热能可以利用光场长距离传输，发现非平衡稳态下可违背热力学第二定律，向全光可控器件、量子热机和能源的有效利用迈出重要一步。该成果以“Phonon heat transport in cavity-mediated optomechanical nanoresonators”为题于2020年9月16日发表在Nature Communications上。华东师范大学为论文的完成单位。博士研究生杨成为该工作第一作者，紫江青年盛继腾研究员和武海斌教授为论文的通讯作者。
武海斌教授课题组成果在Nature Communications发表
热传递一共有热传导、热对流、热辐射三种方式。这都是宏观意义上的热传递，主要是通过不同的温度来实现流体原子或分子的移动转移。但是当系统的尺寸减小到微米和纳米量级时，随机和量子波动将引入新奇的现象。该研究团队基于光场耦合的长距离纳米振子系统实现了一种区别于传统热传递机制的新型长程可控热传输，观察到热流呈现振荡现象。基于非平衡热力学理论研究了热流的概率密度函数，验证了热力学不确定关系，这种普适关系对未来的小规模器件可能非常重要。
该工作基于双薄膜腔光力实验系统开展，由于该系统具有高灵敏实时独立探测和系统参数可控等优势，成为研究许多前沿科学问题的理想实验平台。在实验中，两个微纳薄膜在空间上完全分离（距离6厘米），远远大于其自身厚度（50纳米），置于真空环境中，并分别处于高温和低温热库中。当两个微纳薄膜处于同一光学腔内，腔内光场通过光力效应使两个薄膜之间建立长程相互作用。当光的频率远离腔的共振频率，该系统可以简化成耦合谐振子模型，平均能量从高温薄膜流向低温薄膜。但此时如果测量瞬时热流的大小和方向，会发现瞬时能量可以从低温流向高温，也就意味着热力学第二定律在瞬时并不适用。由于薄膜振子具有较大的机械品质因子，即与环境的耦合较小，该系统的另一独特优势为可以实现双薄膜振子的强耦合。当系统处于强耦合区间时，瞬时热流甚至出现振荡行为，即能量在高温和低温薄膜之间来回振荡。该现象在宏观系统中的对应会变得非常不可思议，如同水流从高处流向低处并又流回高出，且来回振荡。
由于热力学第二定律对小系统中的瞬时情况并不适用，新的定理需要被证明和发展。热力学不确定关系作为非平衡热力学领域中的新发现的重要不等式近期受到极大关注。该团队首次在实验中证明了测量非平衡稳态热流密度可达到的最高精度，验证了热力学不确定关系，并证明在强耦合区间该关系式同样成立。
该团队还发现平均热流的大小与腔内光场、热库温度差和振子频率差之间的关系，通过改变光场大小，可以实时控制声子热流的大小，向实现光场调控的声子器件和混合量子网络的建立迈出重要一步。
传统热传递（左）、实验装置图（中）和物理模型示意图（右）
(a) 振荡的瞬时热流；(b)热流振荡频率与光场大小的关系；(c)不同耦合强度下的对称函数；(d)不同积分时间下热流的概率密度函数
(a) 积分热流随时间的关系；(b)热力学不确定关系
该团队聚焦的腔光力学是当前重要的前沿科学领域，在精密测量量子传感、微纳光子学和量子器件等方面具有广泛的应用前景，同时还提供了一条在宏观尺度上验证量子力学基本问题的崭新道路，成为深入探索微观事物本质以及联系宏观世界的理想研究平台。该团队在国内率先实现了双薄膜光力系统，并首次在光力系统中观测到了声子激光自组织同步的路径和相位锁定[Phys. Rev. Lett. 124, 053604 (2020)]，此工作在时间频率的精密传输和同步具有重要的意义。
武海斌教授与团队成员紫江青年盛继腾研究员
该团队在聚焦前沿科学问题的同时，积极发展量子精密测量技术，实现了突破量子极限的超灵敏微小位移测量[Appl. Phys. Lett. 115, 251105 (2019)]。同时基于超冷原子发展了基于光子散离噪声极限的探测方法，实现了目前精度最高的锂原子的绝对频率和超精细分裂的精密测量[Phys. Rev. Lett. 124, 063002 (2020)]，被评价为“这个研究是杰出的，代表另一个突破”。
工作得到了科技部量子调控重点专项、国家自然科学基金重点项目、杰出青年基金项目以及上海市重大基础研究项目的资助。
图文、来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑｜梁儒铭 编审｜吕安琪
