Способность измерять и отслеживать температуры и температурные изменения в крошечных масштабах – внутри клетки или в микро- и наноэлектронных компонентах – может оказать влияние на многие области исследований, начиная от обнаружения заболеваний, и заканчивая решением серьезных проблем в современных вычислительных и коммуникационных технологий. В последнем случае речь идет об измерении масштабируемости и производительности в электронных компонентах.
Исследовательская команда, возглавляемая учеными из Технологического университета Сиднея (UTS), разработала высокочувствительный нанотермометр, который использует атомоподобные включения в алмазных наночастицах для точного измерения температуры на наноуровне. Датчик использует свойства этих атомоподобных алмазных включений на квантовом уровне, где ограничения классической физики больше не действуют.
Алмазные наночастицы представляют собой чрезвычайно мелкие частицы – в 10 000 раз меньше ширины человеческого волоса – которые флуоресцируют при воздействии на них лазером.
Старший исследователь доктор Карло Брадак из Школы математических и физических наук UTS, отметил, что новый способ – это не просто «реализация концепции».
«Этот метод можно использовать уже сейчас. В настоящее время мы применяем его для измерения колебаний температуры, как в биологических образцах, так и в мощных электронных схемах, эффективность которых в значительной степени зависит от контроля и управления их температурой, в масштабе, трудно достижимом с помощью других методов», – сообщил Брадак.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, представляет собой совместную работу ученых UTS и международной команды из Российской академии наук (Россия), Наньянского технологического университета (Сингапур) и Гарвардского университета (США).
Ведущий автор и физик UTS доктор Тронг Тоан Тран, отметил, что хоть чистый алмаз и прозрачен, но он «обычно содержит дефекты, такие как включения посторонних атомов».
«Помимо придания алмазу разных цветов (желтого, розового, синего и так далее), эти включения излучают свет с определенной длиной волны (цвета) при воздействии на них лазерного луча», – заявляет доктор Тран.
Исследователи обнаружили, что существует особый режим, называемый антистоксом, в котором интенсивность света, испускаемого этими примесями алмаза, очень сильно зависит от температуры окружающей среды. Поскольку размер этих алмазных наночастиц может достигать всего нескольких нанометров, их можно использовать в качестве крошечных нанотермометров.
«Мы сразу поняли, что можем воспользоваться этой специфической зависимостью флуоресценции от температуры и применить наночастицы алмаза в виде ультрамалых температурных датчиков», – отметил доктор Брадак.
«Это выглядит особенно привлекательным, поскольку известно, что алмаз нетоксичен, поэтому подходит для использования в деликатных биологических средах, а также чрезвычайно эластичен, поэтому может быть применен для измерения температуры в очень суровых условиях, вплоть до нескольких сотен градусов», – добавил ученый.
Исследователи отмечают, что важным преимуществом метода является то, что он полностью оптический. Измерение требует лишь контакта капли раствора из наночастиц и воды с образцом и последующего измерения их оптической флуоресценции, когда на них воздействует лазерный луч.
Хоть аналогичные и полностью оптические подходы с использованием наночастиц позволили успешно измерить температуру на наноуровне, исследовательская группа считает, что ни один из них не смог достичь ни чувствительности, ни пространственного разрешения метода, разработанного в UTS. «Мы считаем, что наш датчик может измерять температуры с чувствительностью, сравнимой или превосходящей чувствительность современных и лучших микро- и нанотермометров, и в то же время демонстрировать самое высокое пространственное разрешение на сегодняшний день», – заявил доктор Тран.
Исследователи из UTS подчеркнули, что наноразмерная термометрия является наиболее очевидным, но далеко не единственным приложением, использующим Антистоксовый режим в квантовых системах. Режим может служить основой для изучения фундаментальных взаимодействий света с веществом в изолированных квантовых системах при малоизученных энергиях. Это открывает новые возможности для множества практических наноразмерных технологий, некоторые из которых столь же экзотичны, как оптическое охлаждение, где свет используется для охлаждения объектов.