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超灵敏纳米温度计

Science China Press

Research News

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IMAGE: Upper left is the design of a hybrid nanothermometer composed of a single magnetic copper-nickel alloy nanoparticle and a single nitrogen-vacancy center in a diamond nanopillar. Upper right shows the... view more 

Credit: @Science China Press

纳米尺度下高灵敏度的温度测量在很多研究领域当中非常重要,例如微电路的热耗散,纳米粒子的热等离子体,纳米尺度下的化学反应,以及生命系统中的热过程。科学家们已经开发了众多纳米尺度下的温度测量方法,包括扫描热显微镜,基于超导量子干涉仪的纳米温度计和基于染料的荧光温度计。 然而这些技术分别受到各种不同的因素限制,例如灵敏度低,接触误差,荧光不稳定或要求极低的工作温度。

新近发展成的金刚石温度计提供了一个替代方案。 金刚石中氮空位色心的自旋共振频率会随环境温度变化,而这种变化并不易受环境中其他因素影响。 得益于氮空位色心的荧光稳定性,以及金刚石材料的高导热性和生物相容性,金刚石温度计已被用于监测微电子电路和生命系统当中的热分布。 但由于氮空位色心自旋共振频率对温度的响应相对较小,金刚石温度计的灵敏度依然受限。 有见及此,香港中文大学的研究者设计出一种混合式金刚石温度计。其主要思路是利用磁性纳米颗粒在铁磁-顺磁相变温度附件磁性随温度的剧烈变化,把环境温度的变化转换为更容易被氮空位色心自旋检测的磁信号,大大提高温度计的灵敏度。

最近,香港中文大学和斯图加特大学的研究者在《国家科学评论》(National Science Review,NSR) 发表研究论文,利用金刚石纳米柱中的单个氮空位色心构建了混合纳米温度计。他们运用基于原子力显微镜的纳米操纵技术,将磁性纳米颗粒推近金刚石纳米柱。在磁性纳米颗粒的相变温度附近,由于临界磁化效应,微小的温度变化会导致纳米颗粒的磁性发生巨大变化。这种磁性变化可以被纳米柱中的氮空位色心准确测量。

这种新型混合金刚石温度计的灵敏度理论上可达1 uK/sqrt(Hz)(即在1秒钟的测量时间可达百万份之一摄氏度的精度)。实验上该研究团队实现了76 uK/sqrt(Hz)的灵敏度(即每秒测量时间可达76微度)。这是现今能在室温下工作的、最灵敏的纳米温度计。

利用这种混合金刚石温度计,他们示范性地测量了激光加热过程的温度变化、外界环境的微小温度波动以及电流通过导线时的热效应。这种新型纳米温度计特别适用于监测纳米尺度环境中快速而微小的温度变化。这种能力可能有助于研究各种重要的热过程,例如纳米尺度下的化学反应,纳米颗粒等离子共振,微电路热耗散以及单个生物细胞内的热过程。

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文章信息:

Ultra-sensitive hybrid diamond nanothermometer
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa194

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