Ultragevoelige nanothermometer onder omgevingsomstandigheden

Nanoschaal temperatuurmeting met hoge gevoeligheid is belangrijk voor het onderzoeken van vele verschijnselen zoals warmteafvoer van nano- / micro-elektronica, chemische reacties in nanoliter volume, thermoplasmonica van nanodeeltjes en thermische processen in levende systemen. Er zijn verschillende thermometrie-schema’s op nanoschaal geweest, waaronder de op SQUID gebaseerde nanothermometrie, scanning-thermische microscopie en fluorescentiethermometrie op basis van zeldzame-aardmetalen nanodeeltjes, kleurstoffen of eiwitten. Deze technieken worden echter beperkt door verschillende factoren, zoals contactgerelateerde artefacten, fluorescentie-instabiliteit, lage gevoeligheid of de vereiste van extreme werkomstandigheden.

De recente ontwikkeling van op diamant gebaseerde thermometers biedt een veelbelovend alternatief. De spinresonantiefrequenties van stikstof-vacature (NV) centra in diamantverschuiving met de verandering van de omgevingstemperatuur. Vanwege de fotostabiliteit van NV-centra en de biocompatibiliteit en hoge thermische geleidbaarheid van het diamantmateriaal, werden op diamant gebaseerde thermometers toegepast om de thermische processen in micro-elektronica en live-systemen te bewaken. De gevoeligheid van de op diamanten gebaseerde thermometers wordt echter beperkt door de relatief kleine temperatuurafhankelijkheid van de NV-spinresonantiefrequenties. Zo ontstaat het idee van een hybride diamantthermometer, waarbij de temperatuurverandering in de omgeving wordt omgezet in een magnetisch signaal dat door de centrale spins van de NV kan worden gedetecteerd.

In nieuw onderzoek gepubliceerd in het in Beijing gevestigde National Science Reviewhebben wetenschappers van de Chinese universiteit van Hong Kong in Hong Kong, China, en van de Universiteit van Stuttgart in Stuttgart, Duitsland een ultragevoelige hybride nanothermometer geconstrueerd. De hybride nanothermometer bestond uit een enkel NV-centrum in een diamanten nanopilaar en een enkel nanodeeltje van een koper-nikkellegering. Het magnetische nanodeeltje werd dicht bij de diamanten nanopilaar geplaatst via nanomanipulatie op basis van atoomkrachtmicroscopie. Nabij de Curietemperatuur van het magnetische nanodeeltje leidt een kleine temperatuurverandering tot een grote verandering in het magnetische veld als gevolg van de kritische magnetisatie. Dit thermisch gevoelige magnetische signaal werd vervolgens gemeten door het NV-centrum. De nieuw ontwikkelde hybride nanothermometer heeft een temperatuurgevoeligheid zo hoog als een precisie van 76 microkelvin in één seconde meten. Dit is verreweg de meest gevoelige nanothermometer die werkt onder omgevingsomstandigheden.

Met behulp van deze hybride sensor volgden de wetenschappers de temperatuurveranderingen als gevolg van een laserverwarmingsproces en schommelingen in de omgevingstemperatuur. Bovendien hebben ze de thermische dissipatie nabij de sensor gemeten door extra verwarming met de stroom die door een geleidende draad gaat. De ultragevoelige hybride nanothermometer is vooral handig bij het meten van millikelvin-temperatuurvariaties met een hoge temporele resolutie. De nieuwe sensor kan de studie van een breed scala aan thermische processen vergemakkelijken, zoals chemische reacties op nanoschaal, nanoplasmoniek, warmtedissipatie in nano- / micro-elektronica en thermische processen in afzonderlijke cellen.