Os cientistas da Rice University que analisam as propriedades de materiais tão pequenos quanto uma única molécula encontraram um desafio que aparece em temperaturas muito baixas.

Na tentativa de medir as propriedades plasmônicas de nanofios de ouro, o laboratório de arroz do físico de matéria condensada Douglas Natelson determinou que, à temperatura ambiente, o fio esquentou um pouco quando iluminado por um laser; mas para confundir, em temperaturas ultracold e sob a mesma luz, sua temperatura subiu muito mais.

Este é um problema para cientistas como Natelson, cujos experimentos exigem materiais ultracold para permanecer assim. Aquecimento a laser, embora possa parecer mínimo, apresenta uma barreira térmica para espectroscopia de tunelamento de elétrons inelástica simultânea e espectroscopia óptica de superfície aprimorada, que medem as propriedades elétricas e ópticas de um material.

Seu relatório sobre o fenômeno aparece na revista American Chemical Society ACS Nano .

"Ao longo dos anos, fizemos um bom progresso fazendo medições eletrônicas e ópticas simultaneamente em junções em nanoescala que contêm uma ou algumas moléculas, "Natelson disse." Poderíamos aprender muito mais se pudéssemos estender essas medições para temperaturas bastante baixas; os recursos na condução eletrônica ficariam muito mais nítidos ”.

Mas essas medições ópticas requerem lasers, que se combinam com as propriedades dos eletrodos de metal para focar a energia óptica em escalas abaixo do limite de difração da luz. “O laser para as medidas ópticas tende a aquecer o sistema, "disse ele." Isso não é tão ruim em temperaturas moderadamente baixas, mas como mostramos no jornal, aquecimento óptico direto pode ficar muito mais severo quando a amostra, sem a luz acesa, é resfriado a alguns Kelvin. "

Em materiais plasmônicos, lasers excitam as quase-partículas oscilantes que ondulam como ondas em uma piscina quando excitadas. Os materiais plasmônicos são usados ​​para detectar as condições biológicas e as interações moleculares; eles também são usados ​​como fotodetectores e têm sido empregados em terapias de câncer para aquecer e destruir tumores.

Para seus experimentos, Natelson e seus colegas colocaram nanofios de ouro em forma de gravata borboleta em silício, óxido de silício, superfícies de safira ou quartzo com uma camada adesiva de titânio de 1 nanômetro entre elas. Eles fabricaram e testaram 90 desses dispositivos. No seu ponto mais estreito, os fios tinham menos de 100 nanômetros de largura, e a geometria foi ajustada para ser apropriada para excitação plasmônica com luz infravermelha próxima a 785 nanômetros.

Os pesquisadores fizeram medições para várias intensidades do laser e temperaturas de superfície. Para o nanofio de silício ou óxido de silício, eles descobriram que, à medida que diminuíram a temperatura do silício de 60 kelvins (-351 graus Fahrenheit) para 5 kelvins (-450 F), tornou-se menos capaz de dissipar o calor do nanofio. Sem nenhuma mudança na força do laser, a temperatura do fio aumentou para 100 kelvins (-279 F).

Substituir o silício por safira proporcionou algum alívio, com uma diminuição de três vezes no aumento da temperatura impulsionada pelo laser, eles relataram. Este foi um resultado surpreendente, pois a condutividade térmica da safira é mil vezes maior do que a do óxido de silício, disse Pavlo Zolotavin, um pesquisador de pós-doutorado de Rice e autor principal do artigo. Um modelo numérico abrangente da estrutura revelou a resistência térmica do limite como a principal fonte do aumento prejudicial da temperatura, especialmente para os substratos cristalinos.

"O grande problema é tirar o calor vibracional do metal e colocá-lo no substrato isolante, "ele disse." Acontece que essa resistência térmica do limite fica muito pior em baixas temperaturas. A consequência é que a temperatura local pode aumentar muito com uma dependência um tanto complicada, que podemos modelar bem, sobre a intensidade da luz incidente. "

Resolver o problema é importante para Natelson e sua equipe, já que se especializam em medir as propriedades elétricas e magnéticas de moléculas individuais, colocando-as em lacunas cortadas em nanofios de gravata borboleta. Se o calor expandir os nanofios, as lacunas se fecham e os experimentos são arruinados. O aquecimento também pode "manchar" as características dos dados, ele disse.

"O que tudo isso significa é que precisamos ser inteligentes sobre como tentamos fazer medições eletrônicas e ópticas simultâneas, e que precisamos pensar muito sobre como é a distribuição de temperatura e como o calor realmente flui nesses sistemas, "Natelson disse.