El laboratorio de IBM responsable de inventar el microscopio de efecto túnel y el microscopio de fuerza atómica ha inventado otra herramienta fundamental para ayudarnos a comprender el nanomundo.

Medir con precisión la temperatura de los objetos a nanoescala ha sido un desafío para los científicos durante décadas. Las técnicas actuales no son precisas y suelen generar artefactos, limitando su fiabilidad.

Motivados por este desafío y su necesidad de caracterizar con precisión la temperatura de los nuevos diseños de transistores para satisfacer la demanda de las futuras computadoras cognitivas, Científicos en Suiza de IBM y ETH Zurich han inventado una técnica revolucionaria para medir la temperatura de objetos de tamaño nano y macro. La invención pendiente de patente se divulga hoy por primera vez en la revista de revisión por pares. Comunicaciones de la naturaleza , "Mapeo de temperatura de dispositivos a nanoescala operativos mediante el escaneo de termometría de sonda".

Una historia de invenciones

En la década de 1980, Los científicos de IBM Gerd Binnig y el difunto Heinrich Rohrer querían explorar directamente la estructura electrónica y las imperfecciones de una superficie. El instrumento que necesitaban para tomar tales medidas no existía, todavía. Así que hicieron lo que haría cualquier buen científico:inventaron uno. Se conoció como el microscopio de efecto túnel (STM), abriendo la puerta a la nanotecnología. Solo unos años después, la invención fue reconocida con los más altos honores, el Premio Nobel de Física en 1986.

Más de 30 años después, los científicos de IBM continúan siguiendo los pasos de Binnig y Rohrer y con su último invento.

Dr. Fabián Menges, un postdoctorado de IBM y co-inventor de la técnica dijo:"Empezamos en 2010 y simplemente nunca nos dimos por vencidos. La investigación anterior se centró en un termómetro a nanoescala, pero deberíamos haber estado inventando un termómetro para la nanoescala, una distinción importante. Este ajuste nos llevó a desarrollar una técnica que combina la detección térmica local con la capacidad de medición de un microscopio; lo llamamos termometría de sonda de barrido ".

Cómo funciona:termometría con sonda de exploración

La técnica más común para medir la temperatura en la macroescala es poner un termómetro en contacto térmico con la muestra. Así es como funciona un termómetro para la fiebre. Una vez que se coloca debajo de nuestra lengua, se equilibra con la temperatura de nuestro cuerpo para que podamos determinar nuestra temperatura a unos saludables 37 grados C. Desafortunadamente, se vuelve un poco más desafiante cuando se usa un termómetro para medir un objeto nanoscópico.

Por ejemplo, sería imposible usar un termómetro típico para medir la temperatura de un virus individual. El tamaño del virus es demasiado pequeño y el termómetro no puede equilibrarse sin alterar significativamente la temperatura del virus.

Para resolver este desafío, Los científicos de IBM desarrollaron una técnica de termometría de contacto sin equilibrio de escaneo único para medir la temperatura de objetos nanoscópicos utilizando una sonda de escaneo.

Como el termómetro de la sonda de exploración y el objeto no pueden equilibrarse térmicamente a nanoescala, dos señales se miden simultáneamente:un pequeño flujo de calor, y su resistencia al flujo de calor. Combinando estas dos señales, la temperatura de los objetos nanoscópicos se puede cuantificar para obtener un resultado preciso.

El científico de IBM Dr. Bernd Gotsmann y co-inventor explica:"La técnica es análoga a tocar una placa caliente e inferir su temperatura al sentir el flujo de calor entre nuestro propio cuerpo y la fuente de calor. Esencialmente, la punta de la sonda es nuestra mano. Nuestra percepción del calor y el frío puede ser muy útil para tener una idea de la temperatura de un objeto, pero también puede ser engañoso si se desconoce la resistencia al flujo de calor ".

Previamente, los científicos no estaban incluyendo con precisión esta dependencia de la resistencia; pero solo midiendo la tasa de transferencia de energía térmica a través de la superficie, conocido como flujo de calor. En el papel, los autores incluyeron los efectos de las variaciones locales de la resistencia térmica para medir la temperatura de un nanoalambre de arseniuro de indio (InAs), y una interconexión de oro autocalentada con una combinación de unos pocos miliKelvin y una resolución espacial de pocos nanómetros.

Menges agrega, "El termómetro de sonda de escaneo no solo es preciso, cumple con la trifecta para herramientas:es fácil de operar, simple de construir, y muy versátil, en el sentido de que puede usarse para medir la temperatura de puntos calientes de tamaño nano y micro que pueden afectar localmente las propiedades físicas de los materiales o gobernar reacciones químicas en dispositivos como transistores, celdas de memoria, convertidores de energía termoeléctrica o estructuras plasmónicas. Las aplicaciones son infinitas ".

Laboratorios sin ruido

No es una coincidencia que el equipo comenzara a ver mejoras en el desarrollo del termómetro de sonda de escaneo hace 18 meses cuando trasladaron su investigación a los nuevos laboratorios sin ruido, a seis metros bajo tierra en el Centro de Nanotecnología Binnig y Rohrer en el campus de IBM Research. Zurich.

Este entorno único, que protege los experimentos de las vibraciones, ruido acústico, señales electromagnéticas y fluctuaciones de temperatura, ayudó al equipo a lograr una precisión inferior a miliKelvin.

"Si bien tuvimos el beneficio de esta sala única, la técnica también puede producir resultados fiables en un entorno normal, "dijo Menges.

Próximos pasos

"Esperamos que el artículo produzca tanto entusiasmo como alivio para los científicos, que como nosotros, he estado buscando una herramienta de este tipo, ", dijo Gotsmann." Similar al STM, Esperamos otorgar la licencia de esta técnica a los fabricantes de herramientas que luego puedan llevarla al mercado como una función adicional a su línea de productos de microscopía ".