Ultra-følsomt nanotermometer under omgivende forhold

Nanoskala temperaturmåling med høj følsomhed er vigtig for at undersøge mange fænomener såsom varmeafledning af nano-/mikroelektronik, kemiske reaktioner i nanolitervolumen, termoplasmonik af nanopartikler, og termiske processer i strømførende systemer. Der har været forskellige termometriskemaer i nanoskala, inklusive den SQUID-baserede nanotermometri, scanning termisk mikroskopi, og fluorescenstermometri baseret på sjældne jordarters nanopartikler, farvestoffer, eller proteiner. Imidlertid, disse teknikker er begrænset af forskellige faktorer, såsom kontaktrelaterede artefakter, fluorescens ustabilitet, lav følsomhed, eller kravet om ekstreme arbejdsforhold.

Den seneste udvikling af diamantbaserede termometre giver et lovende alternativ. Spin-resonansfrekvenserne for nitrogen-vacancy (NV) centreres i diamantskift med den miljømæssige temperaturændring. På grund af fotostabiliteten af ​​NV-centre og diamantmaterialets biokompatibilitet og høje termiske ledningsevne, diamantbaserede termometre blev anvendt til at overvåge de termiske processer i mikroelektronik og strømførende systemer. Imidlertid, følsomheden af ​​de diamantbaserede termometre er begrænset af den relativt lille temperaturafhængighed af NV-spinresonansfrekvenserne. Dermed, der opstår ideen om hybrid diamant termometer, hvor temperaturændringen i omgivelserne transduceres til et magnetisk signal, der detekteres af NV-centerspin.

I ny forskning offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere ved The Chinese University of Hong Kong i Hong Kong, Kina, og ved universitetet i Stuttgart i Stuttgart, Tyskland konstruerede et ultrafølsomt hybrid nanotermometer. Hybrid-nanotermometeret var sammensat af et enkelt NV-center i en diamant-nanopøjle og en enkelt nanopartikel af kobber-nikkellegering. Den magnetiske nanopartikel blev placeret tæt på diamantnanopillen via nanomanipulation baseret på atomkraftmikroskopi. Nær Curie-temperaturen af ​​den magnetiske nanopartikel, en lille temperaturændring fører til en stor magnetfeltændring på grund af den kritiske magnetisering. Dette termisk følsomme magnetiske signal blev derefter målt af NV-centret. Det nyudviklede hybrid nanotermometer har en temperaturfølsomhed så høj som en præcision på 76 mikrokelvin på et sekunds måling. Dette er langt det mest følsomme nanotermometer, der arbejder under omgivende forhold.

Ved at bruge denne hybridsensor, forskerne overvågede temperaturændringerne på grund af en laseropvarmningsproces og temperaturudsving i omgivelserne. Ud over, de målte den termiske dissipation nær sensoren ved yderligere opvarmning med strømmen, der passerede gennem en ledende ledning. Det ultra-følsomme hybrid nanotermometer er især nyttigt til måling af millikelvin temperaturvariation med høj tidsmæssig opløsning. Den nye sensor kan lette studiet af en bred vifte af termiske processer, såsom kemiske reaktioner på nanoskala, nano-plasmonik, varmeafledning i nano-/mikroelektronik, og termiske processer i enkeltceller.