Foco: Receita para um termômetro Quantum

Os teóricos descreverem o melhor termômetro nanoescala permitido pelas leis da física para ajudar experimentadores empurrar os limites da tecnologia em medições dentro das células ou minúsculos circuitos eletrônicos.

Tomando a temperatura de uma célula. Ao compreender as limitações fundamentais de termômetros quântica, os pesquisadores serão capazes de medir com mais precisão as variações de temperatura nas células. Esta imagem é de um estudo de 2013, que incorporado tanto um nanodiamond.

O termômetro em nanoescala mais precisa é um sistema quântico com dois níveis de energia, de acordo com uma equipe de teóricos. Idealmente, não há um único estado quântico em nível mais baixo de energia e muitos estados em algum nível de energia mais alto. A equipe determinou os limites teóricos de precisão termômetro em uma série de cenários experimentais. O seu trabalho pode melhorar o design dos termômetros sensíveis que podem sondar a física em escala nano de reações químicas e biológicas, acompanhar calor em circuitos eletrônicos, ou controlam as operações dentro das células que são alvos de tratamento médico.

Nos últimos dois anos, os pesquisadores desenvolveram termômetros quântica que podem medir variações de temperatura millikelvin em todas as regiões em nanoescala. Eles construíram esses termômetros de pontos quânticos-pequenas ilhas únicas de semicondutores dentro de maiores impurezas sólidas, ou com em nanocristais de diamante. Os termômetros têm, por exemplo, medir as temperaturas de elétrons semicondutores e as variações térmicas no interior de uma célula viva. Na maioria dos casos, a técnica envolve em primeiro lugar deixando o termômetro equilibrar a temperatura da amostra e, em seguida, fazer as medições precisas de seu espectro e detectando a sua fluorescência em função da temperatura.

Este trabalho experimental tem levantado dúvidas sobre a precisão final desses termômetros e que tipo de objeto faz o termômetro nanoescala ideal. Anna Sanpera e seus colegas da Universidade Estadual Barcelona na Espanha e Gerardo Adesso, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido acreditam agora que eles têm respostas para essas perguntas. Eles usam uma nova abordagem teórica que combina ferramentas matemáticas de mecânica quântica e da termodinâmica.

"No final do dia, o que temos para medir a estimar a temperatura está intimamente relacionado com a energia do termômetro", diz o membro da equipa Barcelona Luis Correa. A equipe mostra que o termômetro mais sensível nanoescala tem a maior capacidade de calor, o que significa que pequenas mudanças na temperatura do ambiente têm um grande efeito sobre a sua energia.

Ao maximizar a capacidade de calor matematicamente, a equipe deriva uma expressão para a sensibilidade máxima de um termômetro nanoescala. Esta sensibilidade depende da configuração do nível de energia do termômetro e do número de estados quânticos disponíveis. Por exemplo, o termômetro nanodiamond que tem sido utilizado em experiências tem um único estado do solo e dois estados excitados com a mesma energia. A equipe descobre que o termômetro mais preciso é um sistema com dois níveis de energia, como o nanodiamond, mas onde a energia superior tem não dois estados, mas um grande número deles.

No entanto, os pesquisadores encontrar uma forma entre a precisão de um termômetro e da gama de temperaturas em que podem operar. Aumentar o número de estados excitados aumenta a precisão, mas também restringe a gama de temperatura na qual o termômetro opera com a máxima eficiência.

A equipe sugere que um experimentador poderia primeira usar um termômetro com uma baixa precisão, mas uma ampla faixa de temperatura para determinar aproximadamente a temperatura da amostra. Em seguida, as sondas sucessivamente mais precisas podem ser utilizados em diferentes locais-dizer, num circuito ou uma célula-para mapear menores variações de temperatura em diferentes regiões da amostra.

Na realidade, pode não ser possível para um termômetro para equilibrar completamente com a amostra devido, por exemplo, a temperatura varia no tempo. Neste caso, os pesquisadores acham que um termômetro dois níveis que começa muito frio e, portanto, em seu estado fundamental (ou próximo a ela) antes de entrar em contato com a amostra dá a melhor precisão. Com uma quantidade limitada de tempo, eles também mostram que a sonda deve ser verificado o mais rápido possível, com repetidos ciclos de resfriamento e reconexão com a amostra.

Correa diz que este trabalho vai ajudar os pesquisadores a descobrir onde eles podem melhorar seus experimentos. Melhoria da precisão em medições de temperatura poderia lançar luz sobre problemas como a dissipação de calor nos circuitos em nanoescala e os processos térmicos no interior das células.

Esse quadro teórico é um "importante passo em frente no desenvolvimento e utilização de termômetros mais confiáveis ​​baseadas em efeitos quânticos", diz experimentalista quantum Martin Kroner do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) em Zurique. Ele diz que agora os pesquisadores têm técnicas para atingir as baixas temperaturas necessárias para observar fenômenos quânticos, mas os novos resultados abordar a próxima, "problema muito difícil" de medir as temperaturas precisas desses sistemas.

Esta pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.

-Tamela Maciel

Tamela Maciel é o estagiário redação científica na American Physical Society.

Referências

F. Seilmeier, M. Hauck, E. Schubert, G. J. Schinner, S. E. Beavan, e A. Högele ", termometria óptica de um Reservatório Electron acoplado a um Quantum Dot único na Faixa millikelvin", Phys. Rev. Aplicada 2, 024.002 (2014)

Florian Haupt, Atac Imamoglu, e Martin Kroner, "Single Quantum Dot como um termômetro ótico para Temperaturas millikelvin", Phys. Rev. Aplicada 2, 024.001 (2014)

G. Kucsko, PC Maurer, NY Yao, M. Kubo, HJ Noh, PK Lo, H. Park, MD e Lukin, "termometria à escala nanométrica em uma célula viva," Nature 500, 54 (2013)

Forte abraço,
Prof. Sérgio Torres
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