Vous pouvez toucher une ampoule qui fonctionne et savoir tout de suite qu'elle est chaude. Aie! Mais vous ne pouvez pas toucher une seule molécule et obtenir le même retour d'information.

Les chercheurs de l'Université Rice disent qu'ils ont la meilleure solution suivante :un moyen de déterminer la température d'une molécule ou d'électrons en circulation en utilisant la spectroscopie Raman combinée à une antenne optique.

Un nouvel article du laboratoire de Douglas Natelson, un Rice professeur de physique et d'astronomie, détaille une technique qui mesure la température des molécules fixées entre deux nanofils d'or et chauffées soit par un courant appliqué aux fils, soit par une lumière laser. L'article a été publié cette semaine dans l'édition en ligne de Nature Nanotechnologie .

Natelson, L'associé de recherche postdoctoral Dan Ward et leurs collègues ont découvert que, même si mesurer la chaleur à l'échelle nanométrique peut être beaucoup plus compliqué que de prendre la température de macro-objets, cela peut être fait avec un niveau de précision qui intéressera la communauté de l'électronique moléculaire ou toute personne souhaitant savoir comment fonctionnent le chauffage et la dissipation à très petite échelle.

« Quand vous vous efforcez de fabriquer de petits appareils électroniques ou de minuscules jonctions, vous devez vous soucier de la façon dont l'énergie se retrouve sous forme de chaleur, " a déclaré Natelson. " Dans le cas des objets macroscopiques, comme le filament d'une ampoule, vous pouvez attacher un thermocouple - un thermomètre - et le mesurer. » Lorsque les ampoules deviennent chaudes, ils brillent aussi. "Si vous regardez le spectre de la lumière qui sort, vous pouvez comprendre à quel point il fait chaud, " il a dit.

C'est une version trop simplifiée de ce que font Natelson et Ward. On ne peut pas voir la lueur d'une molécule. Cependant, les chercheurs peuvent envoyer de la lumière en tant que sonde et détecter la longueur d'onde de la lumière que la molécule renvoie lorsqu'elle est chauffée. "Dans la diffusion Raman, vous envoyez de la lumière qui interagit avec votre cible. Quand il revient, il aura soit plus d'énergie que vous n'en mettez, ou le même, ou moins. Et nous pouvons le voir et déterminer la température effective de tout ce qui diffuse la lumière."

Le nouveau travail fait suite à un article publié en septembre sur la création par le laboratoire de nano-antennes qui concentrent et grossissent la lumière jusqu'à 1, 000 fois. Cet article s'est concentré sur l'intensité de la lumière laser projetée dans un espace entre les extrémités de deux nanofils d'or.

Cette fois, Natelson et Ward ont répandu des molécules - soit de l'oligophénylène vinylène ou du 1-dodécanethiol - à la surface d'un nanofil d'or, puis ont cassé le fil, laissant un écart à l'échelle nanométrique. Quand ils ont eu la chance de trouver des molécules dans l'espace - "le point idéal" étant l'endroit où les fils métalliques sont les plus proches, Natelson a dit - ils allaient mettre sous tension et lire les spectres résultants.

Les expériences ont été réalisées sous vide avec des matériaux refroidis à 80 kelvins (-315 degrés Fahrenheit). Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient facilement détecter des fluctuations de température allant jusqu'à 20 degrés dans les molécules.

Au niveau macro, Natelson a dit, "Vous regardez généralement quelque chose qui est essentiellement froid. Vous envoyez de la lumière, il déverse une partie de l'énergie dans la chose que vous regardez et la lumière sort avec moins d'énergie qu'au début. Avec la diffusion Raman, vous pouvez réellement voir des modes de vibration moléculaires particuliers. "

Mais l'inverse peut se produire si les atomes vibrent déjà avec l'énergie stockée. "La lumière peut saisir une partie de cela et sortir avec plus d'énergie qu'au début, " il expliqua.

L'effet est le plus dramatique lorsque le courant est fourni à travers les nanofils. "Alors que nous augmentons le courant à travers cette jonction, nous pouvons regarder ces différentes vibrations trembler de plus en plus. Nous pouvons regarder cette chose chauffer."

Natelson, nommé par le magazine Discover en 2008 comme l'un des 20 meilleurs scientifiques de moins de 40 ans du pays, a déclaré que les expériences montrent non seulement comment les molécules coincées dans le nanogap se réchauffent, mais aussi leur interaction avec les fils métalliques. "Les vibrations apparaissent comme des pics aigus dans les spectres, " dit-il. " Ils ont des énergies bien définies. Sous tout ça, il y a ce genre de frottis diffus où la lumière interagit plutôt avec les électrons dans le métal, les vrais fils métalliques."

Natelson a déclaré qu'il était extrêmement difficile d'obtenir des informations directes sur le fonctionnement du chauffage et de la dissipation à l'échelle nanométrique. "En général, vous ne pouvez pas le faire. Il y a beaucoup de modélisation, mais en termes de choses expérimentales que vous pouvez réellement mesurer qui vous disent ce qui se passe, tout est très indirect. Ceci est une exception. C'est spécial. Vous pouvez voir ce qui se passe.

"Dans notre expérience fantastique, nous dirions, 'Garçon, J'aimerais pouvoir entrer avec un thermomètre, ' ou, "J'aimerais pouvoir voir chaque molécule et voir à quel point elle tremble." Et c'est effectivement une façon de le faire. Nous pouvons vraiment regarder ces choses chauffer. »