Неинвазивный квантово-световой метод измерения температуры на наноуровне

Способность измерять и отслеживать изменения температуры и температуры на мельчайших масштабах – внутри клетки или в микро- и наноэлектронных компонентах – потенциально может влиять на ряд областей исследования от обнаружения заболевания до Основная проблема современных вычислительных и коммуникационных технологий, как вычислить масштабируемость и производительность в электронных компонентах.

Совместная команда, возглавляемая исследователями из Технологического университета Сиднея (UTS), создала чрезвычайно чувствительный нанотермометр, который использует атомоподобные включения в алмазных наночастицах для точного измерения температуры на наноуровне. Датчик манипулирует свойствами этих атомоподобных алмазных включений на квантовом уровне, где границы классической физики не применяются.

Алмазные наночастицы представляют собой очень маленькие частицы – до 10000 раз меньше ширины человеческого волоса – которые флуоресцируют при облучении лазером.

Старший исследователь, д-р Карло Брадак, Школа математических и физических наук UTS, сказал, что новый метод был не просто « реализацией доказательства концепции ».

«Этот метод можно сразу же развернуть. В настоящее время мы используем его для измерения колебаний температуры как в биологических образцах, так и в мощных электронных схемах, производительность которых сильно зависит от контроля и управления их температурой с учетом чувствительности и в жестких масштабах чтобы достичь с другими методами ", Доктор Брадак сказал.

Исследовательская работа, опубликованная в Science Advances представляет собой партнерство между учеными UTS и международными сотрудниками из Российской академии наук (RU), Наньянского технологического университета (SG) и Гарвардского университета (США).

Ведущий автор, физик UTS доктор Тронг Тоан Тран, объяснил, что хотя чистый алмаз прозрачен, он «обычно содержит дефекты, такие как включения посторонних атомов».

«Помимо придания алмазу разных цветов, желтого, розового, синего и т. Д., Несовершенства излучают свет на определенных длинах волн [colours] при прохождении лазерного луча», говорит доктор Тран.

Команда узнала, что существует необычный режим, называемый Антистоксом, в котором интенсивность света, излучаемого этими примесями алмазного цвета, очень сильно зависит от температуры окружающей среды. Поскольку эти алмазные наночастицы могут быть крошечными всего лишь в несколько нанометров, их можно использовать в качестве миниатюрных нанотермометров.

Мы сразу поняли, что можем использовать эту своеобразную зависимость флуоресценции от температуры и использовать наночастицы алмаза в качестве сверхмалых температурных зондов . Это особенно привлекательно, поскольку известно, что алмаз нетоксичен, поэтому подходит для измерений в деликатных биологических средах, а также чрезвычайно эластичен, и, следовательно, идеально подходит для измерения температуры в очень суровых условиях до нескольких сотен градусов.

Доктор Карло Брадак, Школа математических и физических наук, UTS

Ученые говорят, что ключевым преимуществом метода является то, что он полностью оптический. Измерение просто требует, чтобы капля раствора наночастиц в воде соприкасалась с образцом, а затем измеряла – неинвазивно – их оптическую флуоресценцию, когда на них падает лазерный луч.

Хотя аналогичные полностью оптические методы с использованием наночастиц эффективно измеряли температуру на наноуровне, исследовательская группа считает, что ни один из них не смог достичь ни чувствительности, ни пространственного разрешения метода, предложенного в UTS.

Мы полагаем, что наш датчик может измерять температуры с чувствительностью, которая сравнима – или превосходит – чувствительность лучших на сегодняшний день полностью оптических микро- и нано-термометров, и в то же время имеет самое высокое пространственное разрешение на сегодняшний день.

Доктор Тронг Тоан Тран, физик, UTS

Исследователи UTS подчеркнули, что нанометровая термометрия была наиболее очевидным, но далеко не единственным приложением, манипулирующим антистоксовым режимом в квантовых системах. Режим может создать основу для исследования важных взаимодействий света с веществом в изолированных квантовых системах при энергиях, которые обычно не исследованы. Это открывает новые возможности для избытка практических технологий считывания наноразмеров, таких экзотических, как оптическое охлаждение, когда свет применяется для охлаждения объектов.

Source link