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利用"量子光"在納米尺度測量溫度的新技術誕生啦!

5月
04
2019

2019年5月04日14時 博科園

博科園

能夠測量和監測細胞內或微電子和納米電子元件內的溫度和溫度的微小變化,有可能影響許多研究領域,從疾病檢測到現代計算和通信技術的重大挑戰,即如何測量電子元件的可伸縮性和性能。由雪梨科技大學(UTS)科學家領導的一個合作團隊開發了一種高度敏感的納米溫度計,它利用鑽石納米顆粒中的原子狀夾雜物來精確測量納米尺度的溫度,該傳感器利用了這些原子狀金剛石夾雜物在量子水平上的特性。

而在量子水平上,經典物理學的極限不再適用。鑽石納米粒子是非常小的顆粒,比人類頭髮的寬度小一萬倍,在雷射照射下會發出螢光。UTS數學與物理科學學院的高級研究員卡洛·布拉達克博士說:這項新技術不僅僅是「概念驗證的實現」。該方法可以立即部署,目前正在用它來測量生物樣品和大功率電子電路的溫度變化,這些電路的性能很大程度上依賴於對其溫度的敏感監測和控制,而且其規模是其他方法難以達到的。這項研究發表在《科學進展》上,是科技大學的研究人員與來自俄羅斯科學院(RU)、南洋理工大學(SG)和哈佛大學(US)的國際合作者合作完成。

科技大學物理學家Trong Toan Tran博士說:儘管純鑽石是透明的,但它「通常含有雜質,比如外來原子的夾雜物」。除了賦予鑽石不同的顏色,比如黃色、粉色、藍色等,當用雷射束探測鑽石時,瑕疵還會發出特定波長(顏色)的光。研究人員發現,有一種特殊的區域被稱為「抗斯托克」(anti -

stok),在這種區域中這些鑽石顏色雜質發出的光的強度非常強烈地依賴於周圍環境的溫度。因為這些金剛石納米顆粒可以小到只有幾納米,它們可以用作微型納米溫度計,布拉達克博士說:我們立刻意識到,可以利用這種特殊的螢光溫度依賴性

電子電路中納米金剛石探測溫度的說明,圖片:Dr. Trong Toan Tran

利用金剛石納米顆粒作為超小型溫度探針。這是特別有吸引力的,因為眾所周知鑽石是無毒的——因此適合在脆弱的生物環境中測量——以及極具彈性——因此理想的溫度測量在非常惡劣的環境高達數百度。這項技術的一個重要優勢是它是全光,這種測量方法只需要將納米顆粒水滴置於水溶液中與樣品接觸,然後在雷射束照射下測量它們的光學螢光(無侵入性)。儘管使用納米顆粒的類似全光學方法已經成功地在納米尺度上測量了溫度。但研究團隊認為,沒有一種方法能夠同時達到UTS開發的這項技術的靈敏度和空間解析度。

Tran博士說:相信我們的傳感器可以測量溫度,其靈敏度與目前最好的全光學微納溫度計相當,甚至更高,同時具有迄今為止最高的空間解析度。UTS的研究人員強調,納米尺度的溫度測量是最明顯的,但遠不是利用量子系統中的反斯托克斯機制的唯一應用。該體系可以成為探索孤立量子系統中基本光與物質相互作用的基礎,而這些量子系統的能量通常是未知。它為大量實用的納米尺度傳感技術開闢了新的可能性,其中一些技術就像光學製冷一樣奇特,光被用來冷卻物體。

博科園-科學科普|研究/來自: 雪梨科技大學

參考期刊文獻:《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aav9180

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