En ny teknik, der bruger kvantelys til at måle temperaturen på nanoskalaen

At kunne måle, og overvåge, temperaturer og temperaturændringer på små skalaer-inde i en celle eller i mikro- og nano-elektroniske komponenter-har potentiale til at påvirke mange forskningsområder fra sygdomsopdagelse til en stor udfordring i moderne beregnings- og kommunikationsteknologier, hvordan man måler skalerbarhed og ydeevne i elektroniske komponenter.

Et samarbejdesteam, ledet af forskere fra University of Technology Sydney (UTS), udviklet et meget følsomt nano-termometer, der bruger atomlignende indeslutninger i diamant-nanopartikler til nøjagtigt at måle temperaturen i nanoskalaen. Sensoren udnytter egenskaberne ved disse atomlignende diamantindeslutninger på kvantenniveau, hvor grænserne for klassisk fysik ikke længere gælder.

Diamant -nanopartikler er ekstremt små partikler - op til 10, 000 gange mindre end bredden på et menneskehår - det fluorescerer, når det belyses med en laser.

Senior efterforsker, Dr. Carlo Bradac, UTS School of Mathematical and Physical Sciences, sagde, at den nye teknik ikke bare var en "proof-of-concept-erkendelse".

"Metoden kan straks implementeres. Vi bruger den i øjeblikket til at måle temperaturvariationer både i biologiske prøver og i elektroniske kredsløb med høj effekt, hvis ydeevne i høj grad er afhængig af at overvåge og kontrollere deres temperatur med følsomheder og i en skala, der er svær at opnå med andre metoder, "Dr. Bradac sagde.

Undersøgelsen offentliggjort i Videnskab fremskridt , er et samarbejde mellem UTS -forskere og internationale samarbejdspartnere fra Russian Academy of Science (RU), Nanyang Technological University (SG) og Harvard University (US).

Hovedforfatter, UTS -fysiker Dr. Trong Toan Tran, forklarede, at selvom ren diamant er gennemsigtig, "indeholder den normalt ufuldkommenheder såsom indeslutninger af fremmede atomer."

"Udover at give diamanten forskellige farver, gul, lyserød, blå, etc. udsender ufuldkommenhederne lys ved specifikke bølgelængder [farver], når de sonderes med en laserstråle, "siger Dr. Tran.

Forskerne fandt ud af, at der er et særligt regime-kaldet Anti-Stokes-hvor intensiteten af ​​lyset, der udsendes af disse urenheder i diamantfarve, afhænger meget stærkt af temperaturen i det omgivende miljø. Fordi disse diamant-nanopartikler kan være så små som få nanometer, kan de bruges som små nanotermometre.

"Vi indså straks, at vi kunne udnytte denne særegne fluorescens-temperaturafhængighed og bruge diamant-nanopartikler som ultra-små temperaturprober, "Dr. Bradac sagde.

"Dette er særligt attraktivt, da diamant vides at være giftfri-derfor velegnet til målinger i sarte biologiske miljøer-såvel som ekstremt modstandsdygtig-derfor ideel til måling af temperaturer i meget barske miljøer op til flere hundrede grader, " han tilføjede.

Forskerne siger, at en vigtig fordel ved teknikken er, at den er heloptisk. Målingen kræver kun at placere en dråbe af nanopartikler-i-vand-opløsningen i kontakt med prøven og derefter måle-ikke-invasivt-deres optiske fluorescens som en laserstråle lyser på dem.

Selvom lignende altoptiske tilgange ved hjælp af nanopartikler med succes har målt temperaturer på nanoskalaen, forskergruppen mener, at ingen har været i stand til at opnå både følsomheden og den rumlige opløsning af teknikken udviklet på UTS. "Vi mener, at vores sensor kan måle temperaturer med en følsomhed, der er sammenlignelig-eller overlegen-med den for de nuværende all-optiske mikro- og nanotermometre, med den hidtil højeste rumlige opløsning, "Sagde Dr. Tran.

Forskerne ved UTS fremhævede, at nanoskala termometri var den mest oplagte-men langt fra den eneste-applikation, der udnyttede Anti-Stokes-regimet i kvantesystemer. Regimet kan danne grundlag for at udforske grundlæggende lys-stof-interaktioner i isolerede kvantesystemer ved energier, der konventionelt er uudforsket. Det åbner nye muligheder for et væld af praktiske nanoskala sensing teknologier, nogle så eksotiske som optisk køling, hvor lys bruges til at nedkøle genstande.