Forskere opdager termisk grænse, der forhindrer ultrakolde eksperimenter

Rice University-forskere, der analyserer egenskaberne af materialer så små som et enkelt molekyle, er stødt på en udfordring, der opstår ved meget lave temperaturer.

I forsøget på at måle de plasmoniske egenskaber af guld nanotråde, Rice lab af kondenseret stof fysiker Douglas Natelson fastslog, at ved stuetemperatur, ledningen blev varmet lidt op, når den blev belyst af en laser; men forvirrende, ved ultrakolde temperaturer og under samme lys, dens temperatur steg langt mere.

Dette er et problem for forskere som Natelson, hvis eksperimenter kræver ultrakolde materialer for at forblive på den måde. Laser opvarmning, selvom det kan virke minimalt, præsenterer en termisk barriere for samtidig uelastisk elektrontunnelspektroskopi og overfladeforstærket optisk spektroskopi, som måler et materiales elektriske og optiske egenskaber.

Deres rapport om fænomenet vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

"I årenes løb har vi gjort pæne fremskridt med at lave elektroniske og optiske målinger samtidigt på nanoskala-kryds, der indeholder et eller nogle få molekyler, " sagde Natelson. "Vi kunne lære meget mere, hvis vi kunne udvide disse målinger til ret lave temperaturer; funktionerne i den elektroniske ledning ville skærpe meget."

Men sådanne optiske målinger kræver lasere, som kombinerer med metalelektrodernes egenskaber for at fokusere optisk energi ned til skalaer under lysets diffraktionsgrænse. "Laseren til de optiske målinger har en tendens til at opvarme systemet, " sagde han. "Dette er ikke så slemt ved moderat lave temperaturer, men som vi viser i avisen, direkte optisk opvarmning kan blive meget mere alvorlig, når prøven, uden lyset tændt, er kølet ned til et par kelvin."

I plasmoniske materialer, lasere exciterer de oscillerende kvasipartikler, der bølger som bølger i en pool, når de exciteres. Plasmoniske materialer bruges til at fornemme biologiske forhold og molekylære interaktioner; de bruges også som fotodetektorer og er blevet brugt i kræftbehandlinger for at opvarme og ødelægge tumorer.

For deres eksperimenter, Natelson og hans kolleger placerede sløjfeformede guld nanotråde på silicium, siliciumoxid, safir- eller kvartsoverflader med et 1 nanometer klæbende lag af titanium imellem. De fremstillede og testede 90 sådanne enheder. På deres smalleste, ledningerne var mindre end 100 nanometer brede, og geometrien blev indstillet til at være passende til plasmonisk excitation med nær-infrarødt lys ved 785 nanometer.

Forskerne tog målinger for forskellige laserstyrker og overfladetemperaturer. For nanotråden på silicium eller siliciumoxid, de fandt ud af, at da de sænkede temperaturen af ​​silicium fra 60 kelvin (-351 grader Fahrenheit) til 5 kelvin (-450 F), det blev mindre i stand til at aflede varme fra nanotråden. Uden ændring i laserens styrke, temperaturen på ledningen steg til 100 kelvin (-279 F).

Udskiftning af silicium med safir gav en vis lettelse, med et tredobbelt fald i den laserdrevne temperaturstigning, rapporterede de. Dette var et opsigtsvækkende resultat, da den termiske ledningsevne af safir er tusind gange højere end for siliciumoxid, sagde Pavlo Zolotavin, en Rice postdoc-forsker og hovedforfatter af papiret. En omfattende numerisk model af strukturen afslørede termisk grænsemodstand som en væsentlig kilde til den skadelige temperaturstigning, især for de krystallinske substrater.

"Det store problem er at få vibrationsvarme ud af metallet og ind i det isolerende underlag, " sagde han. "Det viser sig, at denne termiske grænsemodstand bliver meget værre ved lave temperaturer. Konsekvensen er, at den lokale temperatur kan blive hævet meget med en noget kompliceret afhængighed, som vi faktisk godt kan modellere, på den indfaldende lysintensitet."

At løse problemet er vigtigt for Natelson og hans team, da de specialiserer sig i at måle de elektriske og magnetiske egenskaber af enkelte molekyler ved at placere dem i huller skåret i bowtie nanotråde. Hvis varme udvider nanotrådene, hullerne lukkes, og eksperimenterne er ødelagt. Opvarmning kan også "udtvære" funktioner i dataene, han sagde.

"Hvad alt dette betyder er, at vi skal være kloge omkring, hvordan vi forsøger at udføre samtidige elektroniske og optiske målinger, og at vi skal tænke grundigt over, hvordan temperaturfordelingen ser ud, og hvordan varmen egentlig flyder i disse systemer, " sagde Natelson.