利用"量子光"在纳米尺度测量温度的新技术诞生啦!

栏目:管理 来源:中国生活消费网 时间:2019-09-02


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能够测量和监测细胞内或微电子和纳米电子元件内的温度和温度的微小变化,有可能影响许多研究领域,从疾病检测到现代计算和通信技术的重大挑战,即如何测量电子元件的可伸缩性和性能。由悉尼科技大学(UTS)科学家领导的一个合作团队开发了一种高度敏感的纳米温度计,它利用钻石纳米颗粒中的原子状夹杂物来精确测量纳米尺度的温度,该传感器利用了这些原子状金刚石夹杂物在量子水平上的特性。

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而在量子水平上,经典物理学的极限不再适用。钻石纳米粒子是非常小的颗粒,比人类头发的宽度小一万倍,在激光照射下会发出荧光。UTS数学与物理科学学院的高级研究员卡洛·布拉达克博士说:这项新技术不仅仅是“概念验证的实现”。该方法可以立即部署,目前正在用它来测量生物样品和大功率电子电路的温度变化,这些电路的性能很大程度上依赖于对其温度的敏感监测和控制,而且其规模是其他方法难以达到的。这项研究发表在《科学进展》上,是科技大学的研究人员与来自俄罗斯科学院(RU)、南洋理工大学(SG)和哈佛大学(US)的国际合作者合作完成。

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科技大学物理学家Trong Toan Tran博士说:尽管纯钻石是透明的,但它“通常含有杂质,比如外来原子的夹杂物”。除了赋予钻石不同的颜色,比如黄色、粉色、蓝色等,当用激光束探测钻石时,瑕疵还会发出特定波长(颜色)的光。研究人员发现,有一种特殊的区域被称为“抗斯托克”(anti - stok),在这种区域中这些钻石颜色杂质发出的光的强度非常强烈地依赖于周围环境的温度。因为这些金刚石纳米颗粒可以小到只有几纳米,它们可以用作微型纳米温度计,布拉达克博士说:我们立刻意识到,可以利用这种特殊的荧光温度依赖性

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  • 电子电路中纳米金刚石探测温度的说明,图片:Dr. Trong Toan Tran

利用金刚石纳米颗粒作为超小型温度探针。这是特别有吸引力的,因为众所周知钻石是无毒的——因此适合在脆弱的生物环境中测量——以及极具弹性——因此理想的温度测量在非常恶劣的环境高达数百度。这项技术的一个重要优势是它是全光,这种测量方法只需要将纳米颗粒水滴置于水溶液中与样品接触,然后在激光束照射下测量它们的光学荧光(无侵入性)。尽管使用纳米颗粒的类似全光学方法已经成功地在纳米尺度上测量了温度。但研究团队认为,没有一种方法能够同时达到UTS开发的这项技术的灵敏度和空间分辨率。

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Tran博士说:相信我们的传感器可以测量温度,其灵敏度与目前最好的全光学微纳温度计相当,甚至更高,同时具有迄今为止最高的空间分辨率。UTS的研究人员强调,纳米尺度的温度测量是最明显的,但远不是利用量子系统中的反斯托克斯机制的唯一应用。该体系可以成为探索孤立量子系统中基本光与物质相互作用的基础,而这些量子系统的能量通常是未知。它为大量实用的纳米尺度传感技术开辟了新的可能性,其中一些技术就像光学制冷一样奇特,光被用来冷却物体。

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