Saper misurare, e monitorare, temperature e variazioni di temperatura su scale minuscole - all'interno di una cellula o in componenti micro e nanoelettronici - ha il potenziale per avere un impatto su molte aree di ricerca, dal rilevamento delle malattie a una sfida importante delle moderne tecnologie di calcolo e comunicazione, come misurare la scalabilità e le prestazioni nei componenti elettronici.

Un team collaborativo, guidato da scienziati della University of Technology Sydney (UTS), ha sviluppato un nanotermometro altamente sensibile che utilizza inclusioni simili ad atomi nelle nanoparticelle di diamante per misurare con precisione la temperatura su scala nanometrica. Il sensore sfrutta le proprietà di queste inclusioni di diamanti simili ad atomi a livello quantistico, dove i limiti della fisica classica non valgono più.

Le nanoparticelle di diamante sono particelle estremamente piccole, fino a 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano, che diventa fluorescente quando viene illuminato con un laser.

Investigatore Senior, Dott. Carlo Bradac, UTS Scuola di Scienze Matematiche e Fisiche, ha affermato che la nuova tecnica non era solo una "realizzazione di una prova di concetto".

"Il metodo è immediatamente implementabile. Attualmente lo stiamo utilizzando per misurare le variazioni di temperatura sia in campioni biologici che in circuiti elettronici ad alta potenza le cui prestazioni dipendono fortemente dal monitoraggio e dal controllo della loro temperatura con sensibilità e su una scala difficile da ottenere con altri metodi, " ha detto il dottor Bradac.

Lo studio pubblicato su Progressi scientifici , è una collaborazione tra ricercatori UTS e collaboratori internazionali dell'Accademia Russa delle Scienze (RU), Nanyang Technological University (SG) e Harvard University (USA).

Autore principale, Il fisico dell'UTS Dr. Trong Toan Tran, ha spiegato che sebbene il diamante puro sia trasparente "di solito contiene imperfezioni come inclusioni di atomi estranei".

"Oltre a dare al diamante diversi colori, giallo, rosa, blu, ecc. le imperfezioni emettono luce a specifiche lunghezze d'onda [colori] quando sondate con un raggio laser, " dice il dottor Tran.

I ricercatori hanno scoperto che esiste un regime speciale, denominato Anti-Stokes, in cui l'intensità della luce emessa da queste impurità color diamante dipende fortemente dalla temperatura dell'ambiente circostante. Poiché queste nanoparticelle di diamante possono essere piccole anche solo pochi nanometri, possono essere utilizzate come minuscoli nanotermometri.

"Ci siamo subito resi conto che potevamo sfruttare questa peculiare dipendenza dalla fluorescenza-temperatura e utilizzare le nanoparticelle di diamante come sonde di temperatura ultra-piccole, " ha detto il dottor Bradac.

"Questo è particolarmente interessante poiché il diamante è noto per essere non tossico, quindi adatto per misurazioni in ambienti biologici delicati, oltre che estremamente resistente, quindi ideale per misurare temperature in ambienti molto difficili fino a diverse centinaia di gradi, " Ha aggiunto.

I ricercatori affermano che un importante vantaggio della tecnica è che è completamente ottica. La misurazione richiede solo il posizionamento di una goccia della soluzione di nanoparticelle in acqua a contatto con il campione e quindi la misurazione, in modo non invasivo, della loro fluorescenza ottica quando un raggio laser viene proiettato su di esse.

Sebbene simili approcci completamente ottici che utilizzano nanoparticelle abbiano misurato con successo le temperature su scala nanometrica, il team di ricerca ritiene che nessuno sia stato in grado di ottenere sia la sensibilità che la risoluzione spaziale della tecnica sviluppata presso UTS. "Riteniamo che il nostro sensore sia in grado di misurare le temperature con una sensibilità paragonabile, o superiore, a quella degli attuali migliori micro e nanotermometri completamente ottici, pur presentando la più alta risoluzione spaziale fino ad oggi, " ha detto il dottor Tran.

I ricercatori di UTS hanno evidenziato che la termometria su nanoscala era l'applicazione più ovvia, ma tutt'altro che l'unica, a sfruttare il regime Anti-Stokes nei sistemi quantistici. Il regime può costituire la base per esplorare le interazioni fondamentali tra luce e materia in sistemi quantistici isolati a energie convenzionalmente inesplorate. Apre nuove possibilità per una pletora di pratiche tecnologie di rilevamento su nanoscala, alcuni esotici come la refrigerazione ottica in cui la luce viene utilizzata per raffreddare gli oggetti.