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  • Los científicos detectan un límite térmico que dificulta los experimentos ultrafríos

    Los científicos de la Universidad de Rice que intentaban medir las propiedades plasmónicas de un nanoalambre de oro (derecha) encontraron que el cable se calentaba un poco cuando lo iluminaba con un láser a temperatura ambiente. pero su temperatura aumentaba mucho más cuando se iluminaba en condiciones ultra frías. El efecto llamado resistencia de límite térmico (Rbd) bloquea el calor depositado en el oro (Q) para que no sea disipado por el sustrato. Crédito:Pavlo Zolotavin / Rice University

    Los científicos de la Universidad de Rice que analizan las propiedades de materiales tan pequeños como una sola molécula se han encontrado con un desafío que aparece a temperaturas muy bajas.

    Al intentar medir las propiedades plasmónicas de los nanocables de oro, el laboratorio de Rice del físico de materia condensada Douglas Natelson determinó que a temperatura ambiente, el cable se calentó un poco cuando fue iluminado por un láser; pero desconcertante, a temperaturas ultrafrías y bajo la misma luz, su temperatura subió mucho más.

    Este es un problema para científicos como Natelson, cuyos experimentos requieren materiales ultrafríos para permanecer así. Calentamiento por láser, si bien puede parecer mínimo, presenta una barrera térmica para la espectroscopia de efecto túnel de electrones inelásticos y la espectroscopia óptica de superficie mejorada simultáneamente, que miden las propiedades eléctricas y ópticas de un material.

    Su informe sobre el fenómeno aparece en la revista American Chemical Society. ACS Nano .

    "A lo largo de los años, hemos logrado un gran progreso al realizar mediciones electrónicas y ópticas simultáneamente en uniones a nanoescala que contienen una o unas pocas moléculas, ", Dijo Natelson." Podríamos aprender mucho más si pudiéramos extender esas mediciones a temperaturas bastante bajas; las características de la conducción electrónica se agudizarían mucho ".

    Pero tales mediciones ópticas requieren láseres, que se combinan con las propiedades de los electrodos metálicos para enfocar la energía óptica a escalas por debajo del límite de difracción de la luz. "El láser para las mediciones ópticas tiende a calentar el sistema, ", dijo." Esto no es tan malo a temperaturas moderadamente bajas, pero como mostramos en el periódico, El calentamiento óptico directo puede volverse mucho más severo cuando la muestra, sin la luz encendida, se enfría a unos pocos kelvin ".

    En materiales plasmónicos, los láseres excitan las cuasi-partículas oscilantes que se ondulan como olas en una piscina cuando se excitan. Los materiales plasmónicos se utilizan para detectar condiciones biológicas e interacciones moleculares; también se utilizan como fotodetectores y se han empleado en terapias contra el cáncer para calentar y destruir tumores.

    Por sus experimentos, Natelson y sus colegas colocaron nanocables de oro en forma de pajarita sobre silicio, óxido de silicio, superficies de zafiro o cuarzo con una capa adhesiva de titanio de 1 nanómetro entre ellas. Fabricaron y probaron 90 dispositivos de este tipo. En su forma más estrecha, los cables tenían menos de 100 nanómetros de ancho, y la geometría se ajustó para que fuera apropiada para la excitación plasmónica con luz infrarroja cercana a 785 nanómetros.

    Los investigadores tomaron medidas para varias intensidades de láser y temperaturas de la superficie. Para el nanoalambre sobre silicio u óxido de silicio, encontraron que a medida que disminuían la temperatura del silicio de 60 kelvins (-351 grados Fahrenheit) a 5 kelvins (-450 F), se volvió menos capaz de disipar el calor del nanoalambre. Sin cambios en la fuerza del láser, la temperatura del alambre aumentó a 100 kelvin (-279 F).

    Reemplazar el silicio con zafiro proporcionó algo de alivio, con una disminución de tres veces en el aumento de temperatura impulsado por láser, ellos informaron. Este fue un resultado sorprendente ya que la conductividad térmica del zafiro es mil veces mayor que la del óxido de silicio. dijo Pavlo Zolotavin, un investigador postdoctoral de Rice y autor principal del artículo. Un modelo numérico completo de la estructura reveló que la resistencia en los límites térmicos es una de las principales fuentes del aumento perjudicial de la temperatura. especialmente para los sustratos cristalinos.

    "El gran problema es sacar el calor vibratorio del metal y llevarlo al sustrato aislante, ", dijo." Resulta que esta resistencia de los límites térmicos empeora mucho a bajas temperaturas. La consecuencia es que la temperatura local puede subir mucho con una dependencia algo complicada, que realmente podemos modelar bien, sobre la intensidad de la luz incidente ".

    Resolver el problema es importante para Natelson y su equipo, ya que se especializan en medir las propiedades eléctricas y magnéticas de moléculas individuales colocándolas en huecos cortados en nanocables tipo corbatín. Si el calor expande los nanocables, las brechas se cierran y los experimentos se arruinan. El calentamiento también puede "difuminar" las características de los datos, él dijo.

    "Lo que todo esto significa es que debemos ser inteligentes sobre cómo intentamos realizar mediciones ópticas y electrónicas simultáneas, y que debemos pensar mucho en cómo se ve la distribución de temperatura y cómo fluye realmente el calor en estos sistemas, "Dijo Natelson.


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