Gli scienziati della Rice University che analizzano le proprietà di materiali piccoli come una singola molecola hanno incontrato una sfida che appare a temperature molto basse.

Nel tentativo di misurare le proprietà plasmoniche dei nanofili d'oro, il laboratorio Rice del fisico della materia condensata Douglas Natelson ha determinato che a temperatura ambiente, il filo si è un po' riscaldato quando illuminato da un laser; ma in modo sconcertante, a temperature ultrafredde e sotto la stessa luce, la sua temperatura aumentò molto di più.

Questo è un problema per scienziati come Natelson i cui esperimenti richiedono che i materiali ultrafreddi rimangano tali. riscaldamento laser, mentre può sembrare minimo, presenta una barriera termica alla spettroscopia di tunneling elettronico anelastico simultanea e alla spettroscopia ottica con superficie migliorata, che misurano le proprietà elettriche e ottiche di un materiale.

Il loro rapporto sul fenomeno appare sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .

"Nel corso degli anni abbiamo fatto buoni progressi facendo misurazioni elettroniche e ottiche contemporaneamente su giunzioni su nanoscala che contengono una o poche molecole, Natelson ha detto. "Potremmo imparare molto di più se potessimo estendere queste misurazioni a temperature piuttosto basse; le caratteristiche nella conduzione elettronica si acuirebbero molto."

Ma tali misurazioni ottiche richiedono laser, che si combinano con le proprietà degli elettrodi metallici per concentrare l'energia ottica fino a scale al di sotto del limite di diffrazione della luce. "Il laser per le misure ottiche tende a riscaldare il sistema, " ha detto. "Questo non è male a temperature moderatamente basse, ma come mostriamo nel giornale, il riscaldamento ottico diretto può diventare molto più grave quando il campione, senza la luce accesa, si raffredda a pochi kelvin."

Nei materiali plasmonici, i laser eccitano le quasi-particelle oscillanti che si increspano come onde in una piscina quando eccitate. I materiali plasmonici vengono utilizzati per rilevare le condizioni biologiche e le interazioni molecolari; sono anche usati come fotorivelatori e sono stati impiegati nelle terapie contro il cancro per riscaldare e distruggere i tumori.

Per i loro esperimenti, Natelson e i suoi colleghi hanno posizionato nanofili d'oro a forma di papillon sul silicio, ossido di silicio, superfici di zaffiro o quarzo con uno strato adesivo di titanio di 1 nanometro tra. Hanno fabbricato e testato 90 di questi dispositivi. Al loro più stretto, i fili erano larghi meno di 100 nanometri, e la geometria è stata sintonizzata per essere appropriata per l'eccitazione plasmonica con luce nel vicino infrarosso a 785 nanometri.

I ricercatori hanno effettuato misurazioni per varie intensità del laser e temperature superficiali. Per il nanofilo su silicio o ossido di silicio, hanno scoperto che quando diminuivano la temperatura del silicio da 60 kelvin (-351 gradi Fahrenheit) a 5 kelvin (-450 F), è diventato meno in grado di dissipare il calore dal nanofilo. Senza alcun cambiamento nella forza del laser, la temperatura del filo è aumentata a 100 kelvin (-279 F).

La sostituzione del silicio con lo zaffiro ha fornito un po' di sollievo, con una diminuzione di tre volte dell'aumento di temperatura guidato dal laser, hanno riferito. Questo è stato un risultato sorprendente poiché la conduttività termica dello zaffiro è mille volte superiore a quella dell'ossido di silicio, disse Pavlo Zolotavin, un ricercatore post-dottorato di Rice e autore principale dell'articolo. Un modello numerico completo della struttura ha rivelato che la resistenza al contorno termico è una delle principali fonti del dannoso aumento della temperatura, soprattutto per i substrati cristallini.

"Il grosso problema è ottenere calore vibrazionale dal metallo e nel substrato isolante, " ha detto. "Si scopre che questa resistenza al confine termico peggiora molto a basse temperature. La conseguenza è che la temperatura locale può alzarsi molto con una dipendenza un po' complicata, che possiamo effettivamente modellare bene, sull'intensità della luce incidente."

Risolvere il problema è importante per Natelson e il suo team, poiché sono specializzati nella misurazione delle proprietà elettriche e magnetiche di singole molecole posizionandole in spazi vuoti tagliati in nanofili a cravatta a farfalla. Se il calore espande i nanofili, le lacune si chiudono e gli esperimenti sono rovinati. Il riscaldamento può anche "sbavare" le caratteristiche nei dati, Egli ha detto.

"Tutto ciò significa che dobbiamo essere intelligenti su come cerchiamo di fare misurazioni elettroniche e ottiche simultanee, e che dobbiamo riflettere bene su come appare la distribuzione della temperatura e su come il calore fluisce realmente in questi sistemi, ", ha detto Natelson.