Cientistas da IBM medem transferência de calor por meio de átomos individuais

Representação esquemática da técnica de medição. Crédito:Nature Nanotechnology

Publicado hoje, usando uma técnica que parece trampolim, os cientistas da IBM mediram pela primeira vez a condutância térmica de contatos de pontos quânticos metálicos feitos de ouro até o nível de um único átomo em temperatura ambiente.

Como tudo cresce em nanoescala, o calor - mais precisamente, a perda dele - se torna um problema na confiabilidade do dispositivo. Para resolver isso, no ano passado, cientistas da IBM em Zurique e estudantes da ETH Zurique publicaram e patentearam uma técnica para medir a temperatura desses objetos de tamanho nanométrico abaixo de 10 nanômetros - um feito notável. Eles chamaram a nova técnica de termometria de sonda de varredura (vídeo) e ela forneceu aos engenheiros, pela primeira vez, a capacidade de mapear a perda de calor em um chip e, mais importante, mapear a perda de calor até o nível do dispositivo único e mapear a temperatura distribuições.

Configuração experimental usada no papel. (clique na foto para ampliar)

No entanto, como o tamanho dos dispositivos eletrônicos continua diminuindo, em breve, 10 nanômetros não serão mais considerados “pequena escala”. Testar qual é a menor estrutura possível que pode ser detectada termicamente se tornará ainda mais crítico. Felizmente, para alívio dos cientistas que trabalham no desafio da remoção de calor, esses mesmos inventores estão agora relatando um novo avanço para fazer exatamente isso, na revista científica Nature Nanotechnology.

Os autores creditam dois fatores para seu sucesso:um micro sistema eletromecânico (MEMS) com um sensor térmico integrado que é operado dentro de um microscópio de tunelamento de varredura a vácuo (STM) e um laboratório sem ruído extremamente desacoplado, que é protegido de quase todos tipo de perturbação, incluindo o campo magnético da Terra, torres de celular e vibrações de um trem em movimento.

Como reportado:

O sistema combina essencialmente medições simultâneas de calor e transporte de carga para extrair a condutância térmica e elétrica de contatos metálicos. Semelhante a outras configurações de junção de quebra de STM, uma ponta de STM é usada para formar e quebrar contatos de poucos átomos em um substrato coberto por uma camada metálica. Aqui, no entanto, o eletrodo inferior é integrado em um MEMS suspenso para isolá-lo termicamente do substrato do chip.

Pesquisador da IBM Dr. Bernd Gotsmann no IBM Noise Free Laboratório onde esta pesquisa foi conduzida. Crédito da foto:Carl De Torres

“As propriedades de condução de calor através das junções atômicas ainda precisam ser totalmente exploradas, disse o Dr. Bernd Gotsmann, um dos principais autores do artigo. “Ao fazer isso, também provamos a validade da lei Wiedemann-Franz em contatos pontuais quânticos, que foi originalmente prevista pelo ex-cientista da IBM Rolf Landauer.”

Além de medir a condutância térmica em dispositivos eletrônicos, os autores acreditam que seus resultados também podem encontrar algumas aplicações adicionais.

O cientista e autor principal da IBM, Nico Mosso, explica:“Além dos contatos de pontos quânticos de diferentes metais, a técnica também permitirá aos cientistas caracterizar e controlar o calor, mesmo em dispositivos moleculares. Isso realmente abre muitas oportunidades e, com sorte, nos permite brincar com o calor no futuro, como fazemos com a eletricidade hoje. ”

Transporte de calor através de contatos atômicos, Nico Mosso, Ute Drechsler, Fabian Menges, Peter Nirmalraj, Siegfried Karg, Heike Riel &Bernd Gotsmann, doi:10.1038 / nnano.2016.302