Il laboratorio IBM responsabile dell'invenzione del microscopio a effetto tunnel e del microscopio a forza atomica ha inventato un altro strumento fondamentale per aiutarci a capire il nanomondo.

La misurazione accurata della temperatura degli oggetti su scala nanometrica è stata una sfida per gli scienziati per decenni. Le tecniche attuali non sono accurate e in genere generano artefatti, limitandone l'affidabilità.

Motivati ​​da questa sfida e dalla loro necessità di caratterizzare con precisione la temperatura dei nuovi progetti di transistor per soddisfare la domanda dei futuri computer cognitivi, scienziati svizzeri dell'IBM e dell'ETH di Zurigo hanno inventato una tecnica rivoluzionaria per misurare la temperatura di oggetti di dimensioni nano e macro. L'invenzione in attesa di brevetto viene divulgata per la prima volta oggi nella rivista peer-review Comunicazioni sulla natura , "Mappatura della temperatura di dispositivi operativi su scala nanometrica mediante scansione della termometria della sonda".

Una storia di invenzione

Negli anni '80, Gli scienziati IBM Gerd Binnig e il compianto Heinrich Rohrer volevano esplorare direttamente la struttura elettronica e le imperfezioni di una superficie. Lo strumento di cui avevano bisogno per prendere tali misurazioni non esisteva, ancora. Così hanno fatto quello che farebbe qualsiasi buon scienziato:ne hanno inventato uno. Divenne noto come microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), aprendo le porte alle nanotecnologie. Solo pochi anni dopo, l'invenzione è stata riconosciuta con il massimo dei voti, Premio Nobel per la Fisica nel 1986.

Più di 30 anni dopo, gli scienziati IBM continuano a seguire le orme di Binnig e Rohrer e con la loro ultima invenzione.

Dottor Fabian Menges, un postdoc IBM e co-inventore della tecnica ha detto, "Abbiamo iniziato nel 2010 e semplicemente non ci siamo mai arresi. La ricerca precedente si era concentrata su un termometro su nanoscala, ma avremmo dovuto inventare un termometro per la nanoscala, una distinzione importante. Questa regolazione ci ha portato a sviluppare una tecnica che combina il rilevamento termico locale con la capacità di misurazione di un microscopio:la chiamiamo termometria a scansione di sonda".

Come funziona:una termometria con sonda a scansione

La tecnica più comune per misurare la temperatura su macroscala consiste nel portare un termometro a contatto termico con il campione. Ecco come funziona un termometro per la febbre. Una volta posizionato sotto la nostra lingua, si equilibra alla nostra temperatura corporea in modo che possiamo determinare la nostra temperatura a 37 gradi C. Sfortunatamente, diventa un po' più difficile quando si usa un termometro per misurare un oggetto nanoscopico.

Per esempio, sarebbe impossibile utilizzare un tipico termometro per misurare la temperatura di un singolo virus. La dimensione del virus è troppo piccola e il termometro non può equilibrarsi senza alterare significativamente la temperatura del virus.

Per risolvere questa sfida, Gli scienziati IBM hanno sviluppato una tecnica di termometria a contatto di non equilibrio a scansione singola per misurare la temperatura di oggetti nanoscopici utilizzando una sonda di scansione.

Poiché il termometro della sonda a scansione e l'oggetto non possono equilibrarsi termicamente su scala nanometrica, due segnali vengono misurati contemporaneamente:un piccolo flusso di calore, e la sua resistenza al flusso di calore. Combinando questi due segnali, è possibile quantificare la temperatura degli oggetti nanoscopici per un risultato accurato.

Lo scienziato IBM Dr. Bernd Gotsmann e co-inventore spiega, "La tecnica è analoga a toccare una piastra calda e dedurre la sua temperatura dalla percezione del flusso di calore tra il nostro corpo e la fonte di calore. Essenzialmente, la punta della sonda è la nostra mano. La nostra percezione del caldo e del freddo può essere molto utile per avere un'idea della temperatura di un oggetto, ma può anche essere fuorviante se la resistenza al flusso di calore è sconosciuta."

In precedenza, gli scienziati non includevano accuratamente questa dipendenza dalla resistenza; ma solo misurando la velocità del trasferimento di energia termica attraverso la superficie, noto come flusso di calore. Nella carta, gli autori hanno incluso gli effetti delle variazioni locali della resistenza termica per misurare la temperatura di un nanofilo di arseniuro di indio (InAs), e un'interconnessione in oro autoriscaldata con una combinazione di risoluzione spaziale di pochi milliKelvin e pochi nanometri.

Menges aggiunge, "Non solo il termometro a sonda di scansione è preciso, soddisfa la tripletta per gli strumenti:è facile da usare, semplice da costruire, e molto versatile, in quanto può essere utilizzato per misurare la temperatura di punti caldi di dimensioni nano e micro che possono influenzare localmente le proprietà fisiche dei materiali o governare le reazioni chimiche in dispositivi come i transistor, cellule di memoria, convertitori di energia termoelettrica o strutture plasmoniche. Le candidature sono infinite".

Laboratori senza rumore

Non è un caso che il team abbia iniziato a vedere miglioramenti nello sviluppo del termometro a sonda a scansione 18 mesi fa, quando ha trasferito la sua ricerca nei nuovi Noise Free Labs, a sei metri sottoterra presso il Binnig and Rohrer Nanotechnology Center nel campus di IBM Research. Zurigo.

Questo ambiente unico, che protegge gli esperimenti dalle vibrazioni, rumore acustico, segnali elettromagnetici e fluttuazioni di temperatura, ha aiutato il team a raggiungere una precisione sub-milliKelvin.

"Anche se abbiamo avuto il vantaggio di questa camera unica, la tecnica può anche produrre risultati affidabili in un ambiente normale, " disse Menges.

Prossimi passi

"Speriamo che il documento produca sia molta eccitazione che sollievo per gli scienziati, a chi piacciamo, sono alla ricerca di uno strumento del genere, " ha detto Gotsmann. "Simile al STM, speriamo di concedere in licenza questa tecnica ai produttori di utensili che possano poi portarla sul mercato come funzione aggiuntiva alla loro linea di prodotti di microscopia."