Je kunt een werkende gloeilamp aanraken en meteen weten dat hij heet is. Au! Maar je kunt geen enkele molecuul aanraken en dezelfde feedback krijgen.

Rice University-onderzoekers zeggen dat ze het op één na beste hebben:een manier om de temperatuur van een molecuul of stromende elektronen te bepalen door Raman-spectroscopie te gebruiken in combinatie met een optische antenne.

Een nieuw artikel uit het lab van Douglas Natelson, een Rice hoogleraar natuurkunde en astronomie, beschrijft een techniek die de temperatuur meet van moleculen die tussen twee gouden nanodraden zijn geplaatst en worden verwarmd door stroom die op de draden wordt toegepast of door laserlicht. De paper is deze week gepubliceerd in de online editie van Natuur Nanotechnologie .

Natelson, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Dan Ward en hun collega's ontdekten dat, hoewel het meten van warmte op nanoschaal veel gecompliceerder kan zijn dan het nemen van de temperatuur van macro-objecten, het kan worden gedaan met een nauwkeurigheidsniveau dat van belang is voor de moleculaire elektronicagemeenschap of voor iedereen die wil weten hoe verwarming en dissipatie op zeer kleine schaal werken.

"Als je kleine elektronische apparaten of kleine kruispunten gaat maken, je moet je zorgen maken over hoe energie in de vorm van warmte terechtkomt, " zei Natelson. "In het geval van macroscopische objecten, als de gloeidraad in een gloeilamp, je kunt een thermokoppel -- een thermometer -- bevestigen en meten." Als gloeilampen heet worden, ze gloeien ook. "Als je kijkt naar het spectrum van het licht dat naar buiten komt, je kunt erachter komen hoe heet het is, " hij zei.

Dat is een te vereenvoudigde versie van wat Natelson en Ward doen. Je kunt de gloed van een molecuul niet zien. Echter, de onderzoekers kunnen licht als een sonde insturen en de golflengte detecteren van het licht dat het molecuul bij verhitting terugkaatst. "Bij Raman-verstrooiing, je zendt licht in dat in wisselwerking staat met je doelwit. Als het terugkomt, het zal ofwel meer energie hebben dan je erin stopt, of hetzelfde, of minder. En we kunnen dat zien en de effectieve temperatuur bepalen van wat het licht ook verstrooit."

Het nieuwe werk volgt op een artikel dat in september werd gepubliceerd over de creatie van nano-antennes door het lab die licht concentreren en vergroten tot 1 000 keer. Dat artikel concentreerde zich op de intensiteit van laserlicht dat in een opening tussen de uiteinden van twee gouden nanodraden werd geschoten.

Deze keer, Natelson en Ward verspreidden moleculen -- ofwel oligofenyleenvinyleen of 1-dodecaanthiol -- op het oppervlak van een gouden nanodraad en braken toen de draad, een gat op nanoschaal achterlaten. Toen ze het geluk hadden moleculen in de opening te vinden -- "de goede plek" is waar de metalen draden het dichtst bij zijn, Natelson zei -- ze zouden opstarten en de resulterende spectra lezen.

De experimenten werden uitgevoerd in een vacuüm met materialen gekoeld tot 80 kelvin (-315 graden Fahrenheit). De onderzoekers ontdekten dat ze gemakkelijk temperatuurschommelingen tot 20 graden in de moleculen konden detecteren.

Op macroniveau is Natelson zei, "Je kijkt meestal naar iets dat in wezen koud is. Je stuurt licht, het dumpt een deel van de energie in het ding waar je naar kijkt en het licht komt met minder energie naar buiten dan toen je begon. Met Raman-verstrooiing, je kunt in feite bepaalde moleculaire vibratiemodi zien."

Maar het tegenovergestelde kan gebeuren als de atomen al trillen met opgeslagen energie. "Het licht kan daar wat van oppakken en met meer energie naar buiten komen dan toen het begon, " hij legde uit.

Het effect is het meest dramatisch wanneer stroom wordt geleverd via de nanodraden. "Terwijl we de stroom door deze kruising opvoeren, we kunnen deze verschillende vibraties steeds meer zien trillen. We kunnen dit ding zien opwarmen."

Natelson, door Discover magazine in 2008 genoemd als een van de 20 beste wetenschappers van het land onder de 40 jaar, zei dat de experimenten niet alleen laten zien hoe moleculen die vastzitten in de nanogap opwarmen, maar ook hun interactie met de metaaldraden. "De trillingen verschijnen als scherpe pieken in de spectra, " zei hij. "Ze hebben zeer duidelijke energieën. Onder dat alles, er is een soort diffuus uitstrijkje waar het licht in plaats daarvan interageert met de elektronen in het metaal, de eigenlijke metalen draden."

Natelson zei dat het buitengewoon moeilijk is om directe informatie te krijgen over hoe verwarming en dissipatie werken op nanoschalen. "In het algemeen, je kunt het niet. Er wordt veel gemodelleerd, maar in termen van experimentele dingen die je kunt meten die je vertellen wat er gebeurt, alles is heel indirect. Dit is een uitzondering. Dit is speciaal. Je kunt zien wat er gebeurt.

"In ons fantasie-experiment, we zouden zeggen, 'Jongen, Ik wou dat ik naar binnen kon met een thermometer, ' of, 'Ik wou dat ik elk molecuul kon zien en zien hoeveel het trilt.' En dit is effectief een manier om dat te doen. We kunnen deze dingen echt zien opwarmen."