Poder medir, y monitorear, las temperaturas y los cambios de temperatura a escalas minúsculas, dentro de una celda o en componentes micro y nanoelectrónicos, tienen el potencial de afectar muchas áreas de investigación, desde la detección de enfermedades hasta un desafío importante de las tecnologías modernas de computación y comunicación, cómo medir la escalabilidad y el rendimiento en componentes electrónicos.

Un equipo colaborativo, dirigido por científicos de la Universidad de Tecnología de Sydney (UTS), desarrolló un nanotermómetro de alta sensibilidad que utiliza inclusiones en forma de átomo en nanopartículas de diamante para medir con precisión la temperatura a nanoescala. El sensor explota las propiedades de estas inclusiones de diamantes en forma de átomo a nivel cuántico, donde los límites de la física clásica ya no se aplican.

Las nanopartículas de diamante son partículas extremadamente pequeñas:hasta 10, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, que emite fluorescencia cuando se ilumina con un láser.

Investigador principal, Dr. Carlo Bradac, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la UTS, dijo que la nueva técnica no era solo una "realización de prueba de concepto".

"El método se puede implementar de inmediato. Actualmente lo estamos usando para medir variaciones de temperatura tanto en muestras biológicas como en circuitos electrónicos de alta potencia cuyo rendimiento depende en gran medida de monitorear y controlar su temperatura con sensibilidades y en una escala difícil de lograr con otros métodos". "Dijo el Dr. Bradac.

El estudio publicado en Avances de la ciencia , es una colaboración entre investigadores de UTS y colaboradores internacionales de la Academia de Ciencias de Rusia (RU), Universidad Tecnológica de Nanyang (SG) y Universidad de Harvard (EE. UU.).

Autor principal, Dr. Trong Toan Tran, físico de UTS, Explicó que aunque el diamante puro es transparente, "generalmente contiene imperfecciones como inclusiones de átomos extraños".

"Más allá de darle al diamante diferentes colores, amarillo, rosado, azul, etc. las imperfecciones emiten luz en longitudes de onda específicas [colores] cuando se sondean con un rayo láser, "dice el Dr. Tran.

Los investigadores encontraron que existe un régimen especial, denominado Anti-Stokes, en el que la intensidad de la luz emitida por estas impurezas de color de diamante depende en gran medida de la temperatura del entorno circundante. Debido a que estas nanopartículas de diamante pueden ser tan pequeñas como unos pocos nanómetros, pueden usarse como diminutos nanotermómetros.

"Inmediatamente nos dimos cuenta de que podíamos aprovechar esta peculiar dependencia de la fluorescencia y la temperatura y utilizar nanopartículas de diamante como sondas de temperatura ultrapequeñas". "Dijo el Dr. Bradac.

"Esto es particularmente atractivo, ya que se sabe que el diamante no es tóxico, por lo que es adecuado para mediciones en entornos biológicos delicados, además de ser extremadamente resistente, por lo que es ideal para medir temperaturas en entornos muy duros de hasta varios cientos de grados". "añadió.

Los investigadores dicen que una ventaja importante de la técnica es que es totalmente óptica. La medición solo requiere colocar una gota de la solución de nanopartículas en agua en contacto con la muestra y luego medir, de manera no invasiva, su fluorescencia óptica cuando se ilumina con un rayo láser.

Aunque enfoques totalmente ópticos similares que utilizan nanopartículas han medido con éxito las temperaturas a nanoescala, el equipo de investigación cree que ninguno ha podido alcanzar tanto la sensibilidad como la resolución espacial de la técnica desarrollada en la UTS. "Creemos que nuestro sensor puede medir temperaturas con una sensibilidad comparable, o superior, a la de los mejores micro y nanotermómetros totalmente ópticos actuales, al tiempo que presenta la resolución espacial más alta hasta la fecha, "Dijo el Dr. Tran.

Los investigadores de la UTS destacaron que la termometría a nanoescala era la aplicación más obvia, aunque no la única, que explotaba el régimen Anti-Stokes en los sistemas cuánticos. El régimen puede formar la base para explorar interacciones fundamentales luz-materia en sistemas cuánticos aislados a energías convencionalmente inexploradas. Abre nuevas posibilidades para una plétora de tecnologías prácticas de detección a nanoescala, algunos tan exóticos como la refrigeración óptica donde se usa luz para enfriar objetos.