Insinyur IBM Mengembangkan Termometer Nanoskopik, Memungkinkan Pemetaan Suhu Presisi pada Perangkat Kuantum
Laboratorium IBM yang memajukan mikroskop penggelindingan tunel (STM) dan mikroskop gaya atom (AFM) telah memperkenalkan alat tak tergantikan baru untuk penelitian skala nano: termometer pemindaian probe yang mampu mengukur suhu dengan presisi milikelvin.
Mengukur suhu objek pada skala nanometer dengan akurat telah lama menjadi tantangan. Metode yang ada atau tidak akurat atau menampilkan artefak pengukuran yang mengakibatkan keandalan terkompromi.
Dorong oleh kebutuhan untuk mengkarakterisasi desain transistor generasi berikutnya untuk komputasi kognitif, ilmuwan IBM di Swiss, dalam kolaborasi dengan ETH Zurich, mengungkapkan teknik terobosan. Penemuan yang sedang dalam proses paten ini dijelaskan dalam jurnal peer-review Nature Communications dengan judul “Temperature mapping of operating nanoscale devices by scanning probe thermometry.”
Sejarah Inovasi
Pada tahun 1980, peneliti IBM Gerd Binnig dan yang sudah wafat Heinrich Rohrer menyadari bahwa instrumen yang ada tidak dapat langsung menyelidiki struktur elektronik permukaan. Mereka menemukan STM, keputusan yang memperoleh mereka Hadiah Nobel Fisika tahun 1986 dan membuka bidang nanoteknologi.
Sekarang, lebih dari tiga dekade kemudian, ilmuwan IBM mengikuti semangat pionir itu dengan termometer yang dirancang untuk skala nano.
Dr. Fabian Menges, pasca sarjana IBM dan co-penemu, berkata, “Kami memulai pada 2010 dan tetap tekun. Pekerjaan sebelumnya berfokus pada termometer skala nano, tetapi kami mengejar kembali visi sebagai termometer untuk skala nano—perbedaan esensial yang membawa kami pada pendekatan pemindaian probe termometri ini.”
Bagaimana Pemindaian Probe Termometri Bekerja
Pengukuran suhu tradisional melibatkan membawa termometer ke kontak termal dengan sampel, membiarkannya seimbang. Meskipun ini berfungsi pada skala makro, ini gagal pada skala nano di mana probe tidak dapat seimbang tanpa mengganggu sampel—bayangkan mencoba mengukur suhu virus dengan termometer konvensional.
Solusi IBM adalah teknik non-seimbang, satu pemindaian yang menangkap dua sinyal bersamaan: flux panas ke probe dan resistensi terhadap aliran panas. Dengan menggabungkan pengukuran ini, metode tersebut secara akurat mengukur suhu objek nanoskopik.
Dr. Bernd Gotsmann menjelaskan, “Seperti menyentuh piring panas dan menyimpulkan suhunya dari flux panas antara tangan Anda dan piring. Ujung probe bertindak sebagai tangan; mengetahui resistensi panas sangat penting untuk estimasi yang akurat.”
Tim memvalidasi teknik pada nanowire arsenida indium (InAs) dan interkoneksi emas yang dipanaskan sendiri, mencapai resolusi spasial beberapa nanometer dan resolusi suhu beberapa milikelvin.
Aplikasi dan Dampak
Menges menyoroti bahwa scanner tidak hanya akurat tetapi juga ramah pengguna, sederhana untuk dibuat, dan serbaguna. Ini dapat mengukur titik panas di perangkat nano dan mikro, mempengaruhi properti bahan dan memandu reaksi pada transistor, sel memori, konverter termolistrik, dan struktur plasmonik.
Laboratorium Bebas Derau
Pengembangan termometer mempercepat setelah tim pindah ke Noise Free Labs—enam meter di bawah tanah di Binnig dan Rohrer Nanotechnology Center. Lingkungan ini menghilangkan getaran, derau akustik, interferensi elektromagnetik, dan fluktuasi suhu, memungkinkan presisi sub-milikelvin.
“Bahkan di luar pengaturan yang dikontrol ini, teknik ini memberikan hasil yang andal,” kata Menges.
Pandangan Masa Depan
Gotsmann mengekspresikan optimisme: “Kami mengantisipasi bahwa pekerjaan ini akan memunculkan kegembiraan dan kelegaan di kalangan peneliti yang mencari alat seperti ini. Seperti STM, kami berharap untuk melisensikan teknologi ini kepada produsen, mengintegrasikannya ke dalam suite mikroskopi generasi berikutnya.”
Ilmuwan mengakui dukungan dari Program Kerangka ke-7 di bawah proyek NANOHEAT dan Swiss National Science Foundation.
