Вченим вперше вдалося виміряти параметри одного теплового кванта

Група вчених з дослідницького підрозділу компанії IBM в Цюріху отримала перші експериментальні докази одного з “важко доведених” фізичних законів.

А використані при цьому технології можуть стати одним із способів управління потоками тепла, проблеми, з якою постійно стикається сучасна електроніка та напівпровідникова техніка. Суть даного досягнення полягає в тому, що вченим вдалося зробити безпосередні вимірювання квантової теплової провідності в точці контакту двох золотих провідників, при цьому, вимірювання проводилися на рівні окремих атомів і все це відбувалося при кімнатній температурі.

Проведені вченими вимірювання служать доказом закону Відеманн-Франца, який визначає, що найменшу кількість тепла (тепловий квант), здатне пройти через провідник, прямо пропорційно кванту електричної провідності цього провідника. Отримане експериментальне підтвердження цього закону дозволить вченим з упевненістю прогнозувати і досліджувати взаємопов’язані теплові і електричні явища, що відбуваються на нанорозмірному рівні і навіть на нижчому рівні, на рівні окремих молекул і атомів.

Вченим вдалося зробити виміри за допомогою нової технології скануючої термометрії, розробленої в IBM Zurich тільки в минулому році . Ця технологія є свого роду симбіозом високоточної нанотермометріі і скануючого атомно-силового мікроскопа. Наконечник скануючого мікроскопа використовується для вимірювання двох величин, кількості теплової енергії, що передається від поверхні контрольованого матеріалу до матеріалу наконечника, і теплового опору досліджуваного матеріалу. Комбінуючи ці два види вимірювань, вчені можуть з високою точністю обчислити температуру і кількість теплоти, що укладена в локальному обсязі нанорозмірного пристрою.

Відзначимо, що перший створений вченими скануючий термометр був нездатний до реєстрації впливу одиничних теплових квантів на об’єкти, менші, ніж 10 нанометрів. Однак, ряд доробок і модифікацій використовуваного обладнання дозволили вченим збільшити роздільну здатність пристрою до рівня окремого атома, розмір якого, в залежності від виду хімічного елемента, може бути дорівнює 0.1-0.3 нанометра.

Ключовим моментом даного досягнення була розроблена спеціально для цього мікроелектромеханічна система (microelectromechanical system, MEMS), що включає в себе інтегрований теплової датчик і встановлена на наконечнику вакуумного тунельного скануючого мікроскопа. Свою роль в цій справі відіграло те, що все сверхвисокоточное і чутливе обладнання знаходилося в звуко- і віброізольованого лабораторії IBM Noise Free Lab, яка також забезпечує захист області проведення експерименту від зовнішніх електричних і магнітних полів.

Нова система, крім всіх вимірювань, проведених попередньою системою, вимірює ще й електричну провідність ділянки досліджуваного матеріалу, що дозволяє кількісно оцінити процес перенесення електричних зарядів в металевому провіднику. Використовуючи ці додаткові можливості, вчені зможуть вивчити те, як міжатомні зв’язку можуть сприяти теплової передачі в точці контакту різних матеріалів. І важливість таких досліджень вкрай важлива, так як поведінка багатьох матеріалів по відношенню до тепла докорінно змінюється при переході від простого до нанорозмірних рівню.

Вчені компанії IBM вважають, що у їх з новою технологією вимірювань є безліч областей застосування в сучасній науці. “Це дозволить нам досліджувати процес перенесення тепла не тільки в місцях контакту різних матеріалів, все те ж саме ми зможемо зробити по відношенню до квантовим точкам, і навіть по відношенню до окремих молекул. А це повинно зіграти в майбутньому ключову роль в технологіях управління потоками тепла на нанорозмірному рівні “.