Att kunna mäta, och övervaka, temperaturer och temperaturförändringar i mycket små skalor – inuti en cell eller i mikro- och nanoelektroniska komponenter – har potential att påverka många forskningsområden från sjukdomsdetektering till en stor utmaning för modern beräknings- och kommunikationsteknik, hur man mäter skalbarhet och prestanda i elektroniska komponenter.

Ett samarbetsteam, ledd av forskare från University of Technology Sydney (UTS), utvecklat en mycket känslig nanotermometer som använder atomliknande inneslutningar i diamantnanopartiklar för att exakt mäta temperaturen på nanoskala. Sensorn utnyttjar egenskaperna hos dessa atomliknande diamantinneslutningar på kvantnivå, där den klassiska fysikens gränser inte längre gäller.

Diamantnanopartiklar är extremt små partiklar - upp till 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår – som fluorescerar när det belyses med laser.

Senior utredare, Dr Carlo Bradac, UTS School of Mathematical and Physical Sciences, sa att den nya tekniken inte bara var en "proof-of-concept realisation."

"Metoden är omedelbart implementerbar. Vi använder den för närvarande för att mäta temperaturvariationer både i biologiska prover och i elektroniska kretsar med hög effekt vars prestanda är starkt beroende av att övervaka och kontrollera deras temperatur med känslighet och i en skala som är svår att uppnå med andra metoder, " sa Dr Bradac.

Studien publicerad i Vetenskapens framsteg , är ett samarbete mellan UTS-forskare och internationella samarbetspartners från Russian Academy of Science (RU), Nanyang Technological University (SG) och Harvard University (USA).

Huvud författare, UTS fysiker Dr. Trong Toan Tran, förklarade att även om ren diamant är genomskinlig, "innehåller den vanligtvis imperfektioner såsom inneslutningar av främmande atomer."

"Förutom att ge diamanten olika färger, gul, rosa, blå, etc. ofullkomligheterna avger ljus vid specifika våglängder [färger] när de sonderas med en laserstråle, " säger Dr Tran.

Forskarna fann att det finns en speciell regim – kallad Anti-Stokes – där intensiteten av ljuset som emitteras av dessa diamantfärgföroreningar beror mycket på temperaturen i den omgivande miljön. Eftersom dessa diamantnanopartiklar kan vara så små som bara några få nanometer kan de användas som små nanotermometrar.

"Vi insåg omedelbart att vi kunde utnyttja detta märkliga fluorescens-temperaturberoende och använda diamantnanopartiklar som ultrasmå temperatursonder, " sa Dr Bradac.

"Detta är särskilt attraktivt eftersom diamant är känt för att vara giftfritt - och därför lämpligt för mätningar i känsliga biologiska miljöer - samt extremt motståndskraftigt - och därför idealiskt för att mäta temperaturer i mycket tuffa miljöer upp till flera hundra grader, " han lade till.

Forskarna säger att en viktig fördel med tekniken är att den är helt optisk. Mätningen kräver bara att en droppe av nanopartiklarna-i-vatten-lösningen placeras i kontakt med provet och sedan mäter - icke-invasivt - deras optiska fluorescens som en laserstråle lyser på dem.

Även om liknande helt optiska metoder som använder nanopartiklar framgångsrikt har mätt temperaturer på nanoskala, forskargruppen anser att ingen har kunnat uppnå både känsligheten och den rumsliga upplösningen av den teknik som utvecklats vid UTS. "Vi tror att vår sensor kan mäta temperaturer med en känslighet som är jämförbar – eller överlägsen – den för de nuvarande bästa helt optiska mikro- och nanotermometrarna, samtidigt som den har den högsta rumsliga upplösningen hittills, " sa Dr. Tran.

Forskarna vid UTS betonade att termometri i nanoskala var den mest uppenbara - men långt ifrån den enda - applikationen som utnyttjade Anti-Stokes-regimen i kvantsystem. Regimen kan utgöra grunden för att utforska grundläggande ljus-materia-interaktioner i isolerade kvantsystem vid energier som är konventionellt outforskade. Det öppnar nya möjligheter för en uppsjö av praktiska avkänningsteknologier i nanoskala, några så exotiska som optisk kylning där ljus används för att kyla ner föremål.