Ser capaz de medir, e monitorar, temperaturas e mudanças de temperatura em escalas minúsculas - dentro de uma célula ou em componentes micro e nanoeletrônicos - têm o potencial de impactar muitas áreas de pesquisa, desde a detecção de doenças até um grande desafio das tecnologias modernas de computação e comunicação, como medir escalabilidade e desempenho em componentes eletrônicos.

Uma equipe colaborativa, liderado por cientistas da University of Technology Sydney (UTS), desenvolveu um nanotermômetro altamente sensível que usa inclusões semelhantes a átomos em nanopartículas de diamante para medir com precisão a temperatura em nanoescala. O sensor explora as propriedades dessas inclusões de diamante semelhantes a átomos no nível quântico, onde os limites da física clássica não se aplicam mais.

Nanopartículas de diamante são partículas extremamente pequenas - até 10, 000 vezes menor que a largura de um cabelo humano - que fica fluorescente quando iluminado com um laser.

Investigador Sênior, Dr. Carlo Bradac, Escola UTS de Ciências Matemáticas e Físicas, disse que a nova técnica não era apenas uma "realização à prova de conceito".

"O método é imediatamente implantável. Atualmente, estamos usando-o para medir variações de temperatura tanto em amostras biológicas quanto em circuitos eletrônicos de alta potência, cujo desempenho depende fortemente do monitoramento e controle de sua temperatura com sensibilidades e em uma escala difícil de alcançar com outros métodos, "Dr. Bradac disse.

O estudo publicado em Avanços da Ciência , é uma colaboração entre pesquisadores da UTS e colaboradores internacionais da Academia Russa de Ciências (RU), Nanyang Technological University (SG) e Harvard University (EUA).

Autor principal, Dr. Trong Toan Tran, físico UTS, explicou que embora o diamante puro seja transparente, "geralmente contém imperfeições, como inclusões de átomos estranhos".

"Além de dar ao diamante cores diferentes, amarelo, cor de rosa, azul, etc. as imperfeições emitem luz em comprimentos de onda específicos [cores] quando sondadas com um feixe de laser, "diz o Dr. Tran.

Os pesquisadores descobriram que existe um regime especial - conhecido como Anti-Stokes - em que a intensidade da luz emitida por essas impurezas da cor do diamante depende fortemente da temperatura do ambiente circundante. Como essas nanopartículas de diamante podem ter apenas alguns nanômetros, elas podem ser usadas como minúsculos nanotermômetros.

"Percebemos imediatamente que poderíamos aproveitar essa dependência peculiar de fluorescência-temperatura e usar nanopartículas de diamante como sondas de temperatura ultrapequenas, "Dr. Bradac disse.

"Isso é particularmente atraente porque o diamante é conhecido por ser não tóxico - portanto, adequado para medições em ambientes biológicos delicados - bem como extremamente resiliente -, portanto, ideal para medir temperaturas em ambientes muito adversos até várias centenas de graus, " ele adicionou.

Os pesquisadores afirmam que uma vantagem importante da técnica é que ela é totalmente óptica. A medição requer apenas colocar uma gota da solução de nanopartículas em água em contato com a amostra e, em seguida, medir - de forma não invasiva - sua fluorescência óptica quando um feixe de laser incide sobre elas.

Embora abordagens totalmente ópticas semelhantes usando nanopartículas tenham medido com sucesso as temperaturas em nanoescala, a equipe de pesquisa acredita que nenhum foi capaz de atingir a sensibilidade e a resolução espacial da técnica desenvolvida na UTS. "Acreditamos que nosso sensor pode medir temperaturas com uma sensibilidade comparável - ou superior - aos melhores micro e nano termômetros totalmente ópticos atuais, ao mesmo tempo que apresenta a maior resolução espacial até hoje, "Dr. Tran disse.

Os pesquisadores da UTS destacaram que a termometria em nanoescala era a mais óbvia - embora longe de ser a única - aplicação que explora o regime Anti-Stokes em sistemas quânticos. O regime pode formar a base para explorar as interações luz-matéria fundamentais em sistemas quânticos isolados em energias convencionalmente inexploradas. Ele abre novas possibilidades para uma infinidade de tecnologias práticas de detecção em nanoescala, alguns tão exóticos quanto a refrigeração óptica, onde a luz é usada para resfriar objetos.