物理學家發明世界上最小的溫度計，有助於推進納米技術發展

在十九世紀，瑞士寶璣（Breguet）製造的溫度計是最準確的。現在，物理學家設計了一種通過檢測電子的運動來測量熱量的方法。

隨著電子元件變得越來越小，驅動它們的電流越來越集中，運行過程中的散熱也就愈發困難。最終，系統故障的風險大大增加。測量溫度的新方法對於防止納米設備過熱至關重要。

據報道，新型溫度計的概念驗證，指出了防止納米電子設備過熱發生爆炸的方法。

這項新技術可以測量納米級別的氮化硼碎片溫度，以大約半微米（500 納米）為單位，為準確識別熱量是否積聚，以及識別積聚位置開闢了道路。

圖丨 19 世紀的 Breguet 溫度計

該方法發表在《物理評論快報》上，是由 Juan Carlos Idrobo 領導的研究小組，使用掃描透射電子顯微鏡（STEM），在美國橡樹嶺國家實驗室完成的。

由於樣本的熱振動，該團隊能夠檢測到 STEM 光束中電子能量的微小變化，這種技術被稱為Energy Gain and Loss Spectroscopy。雖然光束中的大部分電子通過樣本時沒有變化，但其中很小一部分會減慢，增加一些振動能量，還有更小的一部分電子會吸收能量並加速。

兩種現象出現的相對數量取決於溫度：樣本中的熱量越多，電子加速的可能性就越大。該團隊測量了這些能量轉換，發現從室溫到 1600 開爾文的溫度區間內，都可以獲得有效的讀數。

「使用水銀溫度計時，需要知道熱膨脹係數，而對於紅外成像技術，空間解析度受限於紅外線波長，要超過 700 納米，」Idrobo 解釋道。「但這種方法直接測量溫度，不需要校準。」

該方法的難點在於，獲得或失去能量的電子產生的信號，比沒有變化的電子產生的信號弱 10 萬倍。更糟糕的是，在 STEM 光束中，能量轉移比能量傳播範圍更小。

幸運的是，該團隊能夠使用新設計的 STEM，後者由美國顯微鏡製造商 Nion 製造。它發射的電子傳播更窄，從而實現選取轉移後的電子能量。

除了狹窄的能量傳播外，Nion 的 STEM 還能發射直徑小於 1 納米的狹窄光束。這使得新技術可以幫助探索溫度的定義—這指的是，在不同的能量水平下，一定數量原子的平均溫度。

「測量單個原子的溫度毫無意義，」Idrobo 表示。

接下來，研究人員計劃，通過將測量技術應用於具有溫度梯度的納米線上，探索溫度的局部化過程。

打造一個可以裝入微電子電路板的探針並非易事，Nion 的 STEM 的高度超過 1.5 米，遠遠高於納米級別。

「研究如何將其應用於（納米）樣本需要花費幾年的時間，這本身就是一個博士級別的項目，」Idrobo 補充道。

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