Ilmuwan IBM Mengukur Perpindahan Panas melalui Atom Tunggal

Representasi skematis dari teknik pengukuran. Kredit:Nanoteknologi Alam

Diterbitkan hari ini, menggunakan teknik yang terlihat seperti trampolin, para ilmuwan IBM telah mengukur konduktansi termal kontak titik kuantum logam yang terbuat dari emas hingga tingkat atom tunggal pada suhu kamar untuk pertama kalinya.

Karena semuanya berskala hingga skala nano, panas – lebih tepatnya, hilangnya panas – menjadi masalah dalam keandalan perangkat. Untuk mengatasi hal ini, tahun lalu, ilmuwan IBM di Zurich dan mahasiswa dari ETH Zurich menerbitkan dan mematenkan teknik untuk mengukur suhu objek berukuran nano ini pada dan di bawah 10 nanometer – pencapaian yang luar biasa. Mereka menyebut teknik baru pemindaian probe termometri (video) dan itu memberi para insinyur, untuk pertama kalinya, kemampuan untuk memetakan kehilangan panas di seluruh chip, dan, yang lebih penting, memetakan kehilangan panas ke tingkat perangkat tunggal dan untuk memetakan suhu distribusi.

Pengaturan eksperimental yang digunakan dalam makalah. (klik foto untuk memperbesar)

Namun, karena ukuran perangkat elektronik terus menyusut, segera, 10 nanometer tidak akan lagi dianggap "skala kecil". Menguji struktur sekecil mungkin yang dapat dirasakan secara termal akan menjadi lebih kritis. Untungnya, untuk meringankan para ilmuwan yang mengerjakan tantangan penghilangan panas, para penemu yang sama ini sekarang melaporkan terobosan baru untuk melakukan hal itu, dalam jurnal peer-review Nature Nanotechnology.

Penulis menghargai dua faktor atas keberhasilan mereka:sistem elektromekanis mikro (MEMS) dengan sensor termal terintegrasi yang dioperasikan dalam mikroskop tunneling pemindaian berbasis vakum (STM) dan lab Noise Free Lab yang sangat terpisah, yang terlindung dari hampir semua jenis gangguan, termasuk medan magnet bumi,  menara ponsel dan getaran dari kereta api yang lewat.

Seperti yang dilaporkan:

Sistem ini pada dasarnya menggabungkan pengukuran panas dan transportasi muatan secara simultan untuk mengekstrak konduktansi termal dan listrik dari kontak logam. Mirip dengan set-up break-junction STM lainnya, ujung STM digunakan untuk membentuk dan memutuskan kontak beberapa atom pada substrat yang ditutupi oleh lapisan logam. Namun, di sini, elektroda bawah terintegrasi pada MEMS yang ditangguhkan untuk mengisolasinya secara termal dari substrat chip.

Peneliti IBM Dr. Bernd Gotsmann di IBM Noise Free Lab tempat penelitian ini dilakukan. Kredit foto:Carl De Torres

“Sifat konduksi panas melalui sambungan atom masih harus dieksplorasi sepenuhnya, kata Dr. Bernd Gotsmann, salah satu penulis utama makalah tersebut. “Dengan demikian, kami juga membuktikan validitas hukum Wiedemann–Franz dalam kontak titik kuantum, yang awalnya diprediksi oleh mantan ilmuwan IBM Rolf Landauer.”

Selain mengukur konduktansi termal dalam perangkat elektronik, penulis yakin bahwa hasil mereka juga dapat menemukan beberapa aplikasi tambahan.

Ilmuwan IBM dan penulis utama Nico Mosso menjelaskan, “Selain kontak titik kuantum dari logam yang berbeda, teknik ini juga akan memungkinkan para ilmuwan untuk mengkarakterisasi dan mengontrol panas bahkan dalam perangkat molekuler. Ini benar-benar membuka banyak peluang, dan mudah-mudahan memungkinkan kita untuk bermain dengan panas di masa depan seperti yang kita lakukan dengan listrik hari ini.”

Transportasi panas melalui kontak atom, Nico Mosso, Ute Drechsler, Fabian Menges, Peter Nirmalraj, Siegfried Karg, Heike Riel &Bernd Gotsmann,  doi:10.1038/nnano.2016.302

Penelitian ini sebagian didanai oleh Komisi Eropa di bawah proyek Molesco H2020.