p O laboratório da IBM responsável por inventar o microscópio de tunelamento de varredura e o microscópio de força atômica inventou outra ferramenta crítica para nos ajudar a compreender o nanomundo. p Medir com precisão a temperatura de objetos em nanoescala tem desafiado os cientistas há décadas. As técnicas atuais não são precisas e normalmente geram artefatos, limitando sua confiabilidade.

p Motivados por este desafio e sua necessidade de caracterizar com precisão a temperatura dos projetos de novos transistores para atender à demanda de futuros computadores cognitivos, cientistas suíços da IBM e da ETH Zurich inventaram uma técnica inovadora para medir a temperatura de objetos de tamanho nanométrico e macro. A invenção com patente pendente está sendo divulgada pela primeira vez hoje no jornal de revisão por pares Nature Communications , "Mapeamento de temperatura de dispositivos operacionais em nanoescala por varredura de termometria de sonda."

p Uma História de Invenção

p Nos anos 1980, Os cientistas da IBM Gerd Binnig e o falecido Heinrich Rohrer queriam explorar diretamente a estrutura eletrônica e as imperfeições de uma superfície. O instrumento que eles precisavam para fazer tais medições não existia, ainda. Então eles fizeram o que qualquer bom cientista faria:eles inventaram um. Ficou conhecido como microscópio de tunelamento de varredura (STM), abrindo a porta para a nanotecnologia. Apenas alguns anos depois, a invenção foi reconhecida com a maior das honras, o Prêmio Nobel de Física em 1986.

p Mais de 30 anos depois, os cientistas da IBM continuam a seguir os passos de Binnig e Rohrer e com sua invenção mais recente.

p Dr. Fabian Menges, um pós-doutorado da IBM e co-inventor da técnica disse:"Começamos em 2010 e simplesmente nunca desistimos. A pesquisa anterior se concentrou em um termômetro em nanoescala, mas deveríamos ter inventado um termômetro para a nanoescala - uma distinção importante. Esse ajuste nos levou a desenvolver uma técnica que combina o sensoriamento térmico local com a capacidade de medição de um microscópio - chamamos isso de termometria por sonda de varredura. "

p Como funciona:termometria com sonda de varredura

p A técnica mais comum para medir a temperatura em macroescala é colocar um termômetro em contato térmico com a amostra. É assim que funciona um termômetro de febre. Uma vez colocado sob a língua, ele se equilibra com a temperatura do nosso corpo para que possamos determinar nossa temperatura em saudáveis ​​37 graus C. Infelizmente, fica um pouco mais desafiador quando se usa um termômetro para medir um objeto nanoscópico.

p Por exemplo, seria impossível usar um termômetro típico para medir a temperatura de um vírus individual. O tamanho do vírus é muito pequeno e o termômetro não consegue se equilibrar sem perturbar significativamente a temperatura do vírus.

p Para resolver este desafio, Os cientistas da IBM desenvolveram uma técnica de termometria de contato de não equilíbrio de varredura única para medir a temperatura de objetos nanoscópicos usando uma sonda de varredura.

p Como o termômetro de sonda de varredura e o objeto não podem se equilibrar termicamente em nanoescala, dois sinais são medidos simultaneamente:um pequeno fluxo de calor, e sua resistência ao fluxo de calor. Combinando esses dois sinais, a temperatura de objetos nanoscópicos pode então ser quantificada para um resultado preciso.

p O cientista da IBM, Dr. Bernd Gotsmann e co-inventor explica, "A técnica é análoga a tocar uma placa quente e inferir sua temperatura detectando o fluxo de calor entre nosso próprio corpo e a fonte de calor. Essencialmente, a ponta da sonda é a nossa mão. Nossa percepção de quente e frio pode ser muito útil para ter uma ideia da temperatura de um objeto, mas também pode ser enganoso se a resistência ao fluxo de calor for desconhecida. "

p Anteriormente, os cientistas não incluíram com precisão essa dependência da resistência; mas apenas medindo a taxa de transferência de energia térmica através da superfície, conhecido como fluxo de calor. No papel, os autores incluíram os efeitos de variações locais de resistência térmica para medir a temperatura de um nanofio de arseneto de índio (InAs), e uma interconexão de ouro autoaquecida com uma combinação de resolução espacial de alguns miliKelvin e poucos nanômetros.

p Menges acrescenta, "Não só o termômetro da sonda de varredura é preciso, ele atende à trifeta das ferramentas:é fácil de operar, simples de construir, e muito versátil, na medida em que pode ser usado para medir a temperatura de pontos quentes de tamanho nano e micro que podem afetar localmente as propriedades físicas dos materiais ou governar reações químicas em dispositivos como transistores, células de memória, conversores de energia termoelétrica ou estruturas plasmônicas. As aplicações são infinitas. "

p Laboratórios sem ruído

p Não é por acaso que a equipe começou a ver melhorias no desenvolvimento do termômetro de sonda de varredura 18 meses atrás, quando mudou sua pesquisa para o novo Noise Free Labs - seis metros abaixo do solo no Binnig and Rohrer Nanotechnology Center no campus da IBM Research- Zurique.

p Este ambiente único, que protege os experimentos da vibração, ruído acústico, sinais eletromagnéticos e flutuações de temperatura, ajudou a equipe a alcançar uma precisão abaixo de milliKelvin.

p "Embora tivéssemos o benefício deste quarto único, a técnica também pode produzir resultados confiáveis ​​em ambiente normal, "disse Menges.

p Próximos passos

p "Esperamos que o artigo produza muita empolgação e alívio para os cientistas, quem gosta de nós, tem procurado por tal ferramenta, "disse Gotsmann." Semelhante ao STM, esperamos licenciar essa técnica para fabricantes de ferramentas que possam lançá-la no mercado como uma função adicional à sua linha de produtos de microscopia. "