kunnen meten, en bewaken, temperaturen en temperatuurveranderingen op minuscule schaal - in een cel of in micro- en nano-elektronische componenten - hebben het potentieel om veel onderzoeksgebieden te beïnvloeden, van ziektedetectie tot een grote uitdaging van moderne computer- en communicatietechnologieën, hoe schaalbaarheid en prestaties in elektronische componenten te meten.

Een samenwerkend team, geleid door wetenschappers van de University of Technology Sydney (UTS), ontwikkelde een zeer gevoelige nanothermometer die atoomachtige insluitsels in diamanten nanodeeltjes gebruikt om de temperatuur op nanoschaal nauwkeurig te meten. De sensor exploiteert de eigenschappen van deze atoomachtige diamantinsluitsels op kwantumniveau, waar de grenzen van de klassieke natuurkunde niet meer gelden.

Diamanten nanodeeltjes zijn extreem kleine deeltjes - tot 10, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar - die fluoresceren wanneer ze worden belicht met een laser.

senior onderzoeker, Dr. Carlo Bradac, UTS School of Mathematical and Physical Sciences, zei dat de nieuwe techniek niet alleen een 'proof-of-concept-realisatie' was.

"De methode is onmiddellijk inzetbaar. We gebruiken hem momenteel voor het meten van temperatuurvariaties, zowel in biologische monsters als in krachtige elektronische circuits waarvan de prestaties sterk afhankelijk zijn van het bewaken en regelen van hun temperatuur met gevoeligheden en op een schaal die moeilijk te bereiken is met andere methoden, ' zei dokter Bradac.

De studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , is een samenwerking tussen UTS-onderzoekers en internationale medewerkers van de Russian Academy of Science (RU), Nanyang Technological University (SG) en Harvard University (VS).

Hoofdauteur, UTS-fysicus Dr. Trong Toan Tran, legde uit dat, hoewel pure diamant transparant is, het "meestal onvolkomenheden bevat, zoals insluitsels van vreemde atomen."

"Behalve de diamant verschillende kleuren te geven, geel, roze, blauw, enz. de onvolkomenheden zenden licht uit op specifieke golflengten [kleuren] wanneer ze worden onderzocht met een laserstraal, " zegt dr. Tran.

De onderzoekers ontdekten dat er een speciaal regime is, ook wel Anti-Stokes genoemd, waarbij de intensiteit van het licht dat door deze onzuiverheden in diamantkleur wordt uitgestraald sterk afhangt van de temperatuur van de omgeving. Omdat deze diamanten nanodeeltjes zo klein kunnen zijn als slechts enkele nanometers, kunnen ze worden gebruikt als kleine nanothermometers.

"We realiseerden ons meteen dat we deze eigenaardige afhankelijkheid van fluorescentie-temperatuur konden benutten en diamantnanodeeltjes als ultrakleine temperatuursondes konden gebruiken, ' zei dokter Bradac.

"Dit is bijzonder aantrekkelijk omdat diamant bekend staat als niet-toxisch - en dus geschikt voor metingen in delicate biologische omgevingen - en ook extreem veerkrachtig - en daarom ideaal voor het meten van temperaturen in zeer ruwe omgevingen tot enkele honderden graden, " hij voegde toe.

De onderzoekers zeggen dat een belangrijk voordeel van de techniek is dat deze volledig optisch is. De meting vereist alleen het plaatsen van een druppel van de nanodeeltjes-in-wateroplossing in contact met het monster en vervolgens - niet-invasief - hun optische fluorescentie meten als een laserstraal erop schijnt.

Hoewel vergelijkbare volledig optische benaderingen met behulp van nanodeeltjes met succes temperaturen op nanoschaal hebben gemeten, het onderzoeksteam is van mening dat niemand in staat is geweest om zowel de gevoeligheid als de ruimtelijke resolutie van de bij UTS ontwikkelde techniek te bereiken. "We zijn van mening dat onze sensor temperaturen kan meten met een gevoeligheid die vergelijkbaar of superieur is aan die van de huidige beste volledig optische micro- en nanothermometers, terwijl met de hoogste ruimtelijke resolutie tot nu toe, ' zei dokter Tran.

De onderzoekers van UTS benadrukten dat thermometrie op nanoschaal de meest voor de hand liggende, maar verre van de enige toepassing was die gebruikmaakte van het Anti-Stokes-regime in kwantumsystemen. Het regime kan de basis vormen voor het onderzoeken van fundamentele licht-materie-interacties in geïsoleerde kwantumsystemen bij energieën die conventioneel onontgonnen zijn. Het opent nieuwe mogelijkheden voor een overvloed aan praktische detectietechnologieën op nanoschaal, sommige zo exotisch als optische koeling waar licht wordt gebruikt om objecten af ​​te koelen.