Wetenschappers van Rice University die de eigenschappen van materialen zo klein als een enkel molecuul analyseren, zijn een uitdaging tegengekomen die zich bij zeer lage temperaturen voordoet.

Bij het meten van de plasmonische eigenschappen van gouden nanodraden, het Rice-lab van de fysicus van de gecondenseerde materie Douglas Natelson stelde vast dat bij kamertemperatuur, de draad warmde een beetje op bij bestraling door een laser; maar verwarrend, bij ultrakoude temperaturen en onder hetzelfde licht, de temperatuur steeg veel meer.

Dit is een probleem voor wetenschappers zoals Natelson wiens experimenten ultrakoude materialen nodig hebben om zo te blijven. Laserverwarming, hoewel het misschien minimaal lijkt, presenteert een thermische barrière voor gelijktijdige inelastische elektronentunneling spectroscopie en oppervlakte-verbeterde optische spectroscopie, die de elektrische en optische eigenschappen van een materiaal meten.

Hun verslag over het fenomeen verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

"In de loop der jaren hebben we mooie vooruitgang geboekt door gelijktijdig elektronische en optische metingen uit te voeren op knooppunten op nanoschaal die een of enkele moleculen bevatten, " Zei Natelson. "We zouden veel meer kunnen leren als we die metingen konden uitbreiden tot vrij lage temperaturen; de functies in de elektronische geleiding zouden veel verscherpen."

Maar zulke optische metingen vereisen lasers, die combineren met de eigenschappen van de metalen elektroden om optische energie te concentreren tot schalen onder de diffractielimiet van licht. "De laser voor de optische metingen heeft de neiging het systeem te verwarmen, "zei hij. "Dit is niet zo erg bij matig lage temperaturen, maar zoals we in de krant laten zien, directe optische verwarming kan veel ernstiger worden wanneer het monster, zonder het licht aan, wordt afgekoeld tot enkele kelvin."

In plasmonische materialen, lasers prikkelen de oscillerende quasi-deeltjes die rimpelen als golven in een zwembad wanneer ze worden opgewonden. Plasmonische materialen worden gebruikt om biologische omstandigheden en moleculaire interacties waar te nemen; ze worden ook gebruikt als fotodetectoren en zijn gebruikt bij kankertherapieën om tumoren te verhitten en te vernietigen.

Voor hun experimenten, Natelson en zijn collega's plaatsten vlinderdasvormige gouden nanodraden op silicium, siliciumoxide, saffier- of kwartsoppervlakken met een 1-nanometer hechtlaag van titanium ertussen. Ze hebben 90 van dergelijke apparaten gefabriceerd en getest. Op hun smalst, de draden waren minder dan 100 nanometer breed, en de geometrie was afgestemd om geschikt te zijn voor plasmonische excitatie met nabij-infrarood licht op 785 nanometer.

De onderzoekers deden metingen voor verschillende lasersterkten en oppervlaktetemperaturen. Voor de nanodraad op silicium of siliciumoxide, ze ontdekten dat toen ze de temperatuur van het silicium verlaagden van 60 kelvin (-351 graden Fahrenheit) tot 5 kelvin (-450 F), het werd minder goed in staat om warmte van de nanodraad af te voeren. Zonder verandering in de sterkte van de laser, de temperatuur van de draad steeg tot 100 kelvin (-279 F).

Het vervangen van het silicium door saffier zorgde voor enige verlichting, met een drievoudige afname van de lasergestuurde temperatuurstijging, meldden ze. Dit was een verrassend resultaat, aangezien de thermische geleidbaarheid van saffier duizend keer hoger is dan die van siliciumoxide, zei Pavlo Zolotavin, een postdoctoraal onderzoeker van Rice en hoofdauteur van het artikel. Een uitgebreid numeriek model van de structuur onthulde thermische grensweerstand als een belangrijke bron van de schadelijke temperatuurstijging, vooral voor de kristallijne substraten.

"Het grote probleem is om trillingswarmte uit het metaal en in het isolerende substraat te krijgen, " zei hij. "Het blijkt dat deze thermische grensweerstand veel erger wordt bij lage temperaturen. Het gevolg is dat de lokale temperatuur flink kan oplopen met een ietwat gecompliceerde afhankelijkheid, die we eigenlijk goed kunnen modelleren, op de invallende lichtintensiteit."

Het oplossen van het probleem is belangrijk voor Natelson en zijn team, omdat ze gespecialiseerd zijn in het meten van de elektrische en magnetische eigenschappen van afzonderlijke moleculen door ze in gaten te plaatsen die in vlinderdas-nanodraden zijn gesneden. Als warmte de nanodraden uitzet, de gaten sluiten en de experimenten worden geruïneerd. Verwarming kan ook functies in de gegevens "uitsmeren", hij zei.

"Wat dit allemaal betekent, is dat we slim moeten zijn in hoe we gelijktijdig elektronische en optische metingen proberen te doen, en dat we goed moeten nadenken over hoe de temperatuurverdeling eruit ziet en hoe de warmte werkelijk in deze systemen stroomt, ' zei Natelson.