Forskare från Rice University som analyserar egenskaperna hos material så små som en enda molekyl har stött på en utmaning som uppträder vid mycket låga temperaturer.

I ett försök att mäta de plasmoniska egenskaperna hos guldnanotrådar, Rice lab av kondenserade fysikern Douglas Natelson bestämde att vid rumstemperatur, tråden värms upp lite när den belyses av en laser; men förvirrande, vid ultrakalla temperaturer och under samma ljus, dess temperatur steg mycket mer.

Detta är en fråga för forskare som Natelson, vars experiment kräver ultrakylda material för att hålla sig så. Laservärme, även om det kan verka minimalt, presenterar en termisk barriär för samtidig oelastisk elektrontunnelspektroskopi och ytförstärkt optisk spektroskopi, som mäter ett materials elektriska och optiska egenskaper.

Deras rapport om fenomenet finns i American Chemical Society journal ACS Nano .

"Under åren har vi gjort fina framsteg med elektroniska och optiska mätningar samtidigt på nanoskala korsningar som innehåller en eller några molekyler, "Sa Natelson." Vi kunde lära oss mycket mer om vi kunde utvidga dessa mätningar till ganska låga temperaturer; funktionerna i den elektroniska ledningen skulle skärpa mycket. "

Men sådana optiska mätningar kräver laser, som kombineras med metallelektrodernas egenskaper för att fokusera optisk energi ner till skalor under ljusets diffraktionsgräns. "Lasern för de optiska mätningarna tenderar att värma systemet, "sa han." Det här är inte så illa vid måttligt låga temperaturer, men som vi visar i tidningen, direkt optisk uppvärmning kan bli mycket allvarligare när provet, utan ljuset tänt, kyls ner till några kelvin. "

I plasmoniska material, lasrar upphetsar de oscillerande kvasipartiklarna som krusar som vågor i en pool när de upphetsas. Plasmoniska material används för att känna av biologiska förhållanden och molekylära interaktioner; de används också som fotodetektorer och har använts i cancerterapier för att värma och förstöra tumörer.

För deras experiment, Natelson och hans kollegor placerade bow-tie-formade guld nanotrådar på kisel, kiseloxid, safir- eller kvartsytor med ett 1-nanometer självhäftande lager av titan mellan. De tillverkade och testade 90 sådana enheter. På sitt smalaste, trådarna var mindre än 100 nanometer breda, och geometrin var inställd för att vara lämplig för plasmonisk excitation med nära-infrarött ljus vid 785 nanometer.

Forskarna tog mätningar för olika laserstyrkor och yttemperaturer. För nanotråd på kisel eller kiseloxid, de fann att när de minskade kiseltemperaturen från 60 kelvin (-351 grader Fahrenheit) till 5 kelvin (-450 F), det blev mindre kapabel att sprida värme från nanotråden. Utan någon förändring i laserns styrka, trådens temperatur ökade till 100 kelvin (-279 F).

Att byta ut kislet mot safir gav lite lättnad, med en trefaldig minskning av den laserdrivna temperaturökningen, rapporterade de. Detta var ett häpnadsväckande resultat eftersom värmeledningsförmågan hos safir är tusen gånger högre än kiseloxid, sa Pavlo Zolotavin, en postdoktoral forskare och huvudförfattare till uppsatsen. En omfattande numerisk modell av strukturen avslöjade termiskt gränsmotstånd som en viktig källa till den skadliga temperaturökningen, speciellt för de kristallina substraten.

"Den stora frågan är att få ut vibrationsvärme ur metallen och in i det isolerande underlaget, "sa han." Det visar sig att detta termiska gränsmotstånd blir mycket värre vid låga temperaturer. Konsekvensen är att den lokala temperaturen kan bli mycket kraftig med ett något komplicerat beroende, som vi faktiskt kan modellera bra, på den infallande ljusintensiteten. "

Att lösa problemet är viktigt för Natelson och hans team, eftersom de är specialiserade på att mäta de elektriska och magnetiska egenskaperna hos enstaka molekyler genom att placera dem i luckor skurna i bowtie nanotrådar. Om värme expanderar nanotrådarna, luckorna stängs och experimenten förstörs. Uppvärmning kan också "smeta ut" funktioner i data, han sa.

"Allt detta betyder att vi måste vara smarta på hur vi försöker göra elektroniska och optiska mätningar samtidigt, och att vi måste tänka hårt på hur temperaturfördelningen ser ut och hur värmen verkligen flyter i dessa system, "Sa Natelson.