Свет для измерения температуры на наноуровне

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 от обнаружения заболеваний до современных вычислений и коммуникационных технологий.

Совместная команда исследователей, 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 работают.

Алмазные наночастицы представляют собой чрезвычайно мелкие частицы — до 10000 раз меньше ширины человеческого волоса — которые флуоресцируют при освещении лазером.

Старший исследователь, доктор Карло Брадак, из школы математических и физических наук UTS, сказал, что новая техника — это не просто «реализация концепции».

«Этот метод можно использовать немедленно. В настоящее время мы используем 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 с учетом чувствительности и в масштабе, трудно достижимом с помощью других методов».

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, представляет собой сотрудничество между исследователями UTS и сотрудниками из Российской академии наук, Наньянского технологического университета и Гарвардского университета.

Ведущий автор работы, физик UTS доктор Тронг 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., включения излучают свет с определенной длиной волны (цвета) при прохождении лазерного луча», — говорит доктор Тран.

Исследователи обнаружили, что существует особый режим, называемый анти-стоксом (Anti-Stokes), в котором интенсивность света, испускаемого этими примесями в алмазе, очень сильно зависит от температуры окружающей среды. Поскольку эти наночастицы алмаза могут быть размером всего в несколько нанометров, они могут использоваться в качестве крошечных нанотермометров.

«Мы сразу поняли, что можем использовать эту специфическую зависимость флуоресценции от температуры и использовать наночастицы алмаза в качестве ультрамалых температурных зондов», — говорят исследователи.

Это особенно привлекательно, поскольку известно, что алмаз нетоксичен, поэтому подходит для измерений в деликатных биологических средах, а также чрезвычайно устойчив, поэтому идеально подходит для измерения температуры в очень суровых условиях, вплоть до нескольких сотен градусов.

Исследователи говорят, что важным преимуществом метода является то, что он полностью оптический. Измерение требует только помещения капли раствора наночастиц в воде в контакт с образцом и последующего измерения — неинвазивно — их оптической флуоресценции, когда на них падает лазерный луч.

Хотя аналогичные, 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 лучших современных полностью оптических микро- и нано-термометров, и в то же время демонстрируя самое высокое пространственное разрешение на сегодняшний день».

Исследователи подчеркнули, что наноразмерная термометрия является наиболее очевидным, но далеко не единственным приложением, использующим режим антистокса в квантовых системах. Режим может служить основой для изучения фундаментальных взаимодействий света с веществом в изолированных квантовых системах при энергиях, которые обычно остаются не исследованы.

Это открывает новые возможности для множества практических технологий, некоторые из которых экзотичны, например, как оптическое охлаждение, где свет используется для охлаждения объектов.

«Anti-Stokes excitation of solid-state quantum emitters for nanoscale thermometry,» Science Advances (2019). advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav9180