新研究：迄今最灵敏的室温纳米温度计——混合式金刚石温度计

来源：中国科学杂志社

如何在纳米尺度下测量温度？随着电子、生物、化学、材料等各个学科走向微观，这个问题引起了更多人的关注。现有的纳米尺度温度测量方法包括扫描热显微镜、基于超导量子干涉仪的纳米温度计、基于染料的荧光温度计等。然而这些技术受到不同因素的限制，总有不完美之处，例如灵敏度低、接触误差、荧光不稳定或要求极低的工作温度。金刚石温度计是一个最近出现的替代方案。它利用金刚石中氮空位色心自旋共振频率随环境温度的稳定变化来测量温度。得益于氮空位色心的荧光稳定性，以及金刚石材料的高导热性和生物相容性，金刚石温度计已被用于监测微电子电路和生命系统中的热分布。但是，由于氮空位色心自旋共振频率对温度的响应相对较小，金刚石温度计的灵敏度（快速捕捉微小温度变化的能力）依然受限。有见及此，香港中文大学的研究者早前设计出一种混合式金刚石温度计。其主要思路是将金刚石温度计与磁性纳米颗粒相结合, 不仅将环境温度的变化转换为更容易被氮空位色心自旋检测的磁信号，而且利用在铁磁-顺磁相变温度附近磁性纳米颗粒的磁性会随温度剧烈变化的特性，大大提高了温度计的灵敏度。混合纳米温度计示意图，磁性纳米颗粒与金刚石纳米柱相互靠近基于这种思路，香港中文大学和斯图加特大学的研究者将磁性纳米颗粒和单晶金刚石纳米柱中的单个氮空位色心相结合，构建了混合式金刚石温度计。受益于单个氮空位色心在这种结构中光学以及自旋特性的优势， 新型混合纳米温度计的理论灵敏度可达1 uK/sqrt(Hz)（即在1秒钟的测量时间内达到百万分之一摄氏度的精度）。实验上该研究团队实现了76uK/sqrt(Hz)的灵敏度。这是现今能在室温下工作的、最灵敏的纳米温度计。相关研究成果发表于《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 。各种室温纳米温度计的热灵敏度，新型混合纳米温度计位于最右侧 利用这种混合金刚石温度计，研究者示范性地测量了激光加热过程的温度变化、外界环境的微小温度波动以及电流通过导线时的热效应。这种新型纳米温度计特别适用于监测纳米尺度环境中快速而微小的温度变化。这种能力可能有助于研究各种重要的热过程，例如纳米尺度下的化学反应、纳米颗粒等离子共振、微电路热耗散以及单个生物细胞内的热过程等。