Система, при помощи которой проводились измерения

Специалисты Исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе смогли получить экспериментальное доказательство возможности выделения и измерения единственного кванта тепла. Забегая наперед, можно сказать, что результаты эксперимента, скорее всего, помогут инженерам и ученым преодолеть проблемы с эффективностью отвода тепла от элементов современных электронных устройств. Что касается самого эксперимента, то ученым удалось измерить теплопроводность отдельных атомов металла — в данном случае золота. Впервые за всю историю науки ученым удалось успешно провести подобный эксперимент при комнатной температуре.

Впервые попытку провести измерение теплопроводности отдельных атомов предприняли исследователи из Калифорнийского технологического института в 1999 году. Эксперимент тоже был признан успешным, но измерения проводились при сверхнизких температурах. Тогда ученые смогли экспериментальным путем подтвердить справедливость закона Видемана — Франца. Это физический закон, утверждающий, что для металлов отношение коэффициента теплопроводности (либо тензора теплопроводности) к удельной электрической проводимости (либо тензору проводимости) пропорционально температуре.

Благодаря полученному результату специалисты теперь смогут предсказывать термальные и электрические эффекты на субатомном уровне или в рамках одной молекулы.

«Несмотря на то, что сам закон был сформулирован, и оказался справедливым для определенных металлов, доказать его справедливость при переходе на наноуровень было тяжело», — объясняет Бернд Гостманн, один из ведущих исследователей работы.

Для того, чтобы успешно провести измерения на субатомном уровне, нужны надежные инструменты. Но создать их по понятным причинам довольно сложно. Тем не менее, в прошлом году ученые из Исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе в партнерстве со специалистами из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (нем. Eidgenossische Technische Hochschule Zurich) разработали и запатентовали соответствующую технологию. С ее помощью удалось создать систему, которая может измерять температуру объектов размером в 10 нанометров и меньше. Технология получила название «сканирующая зондовая термометрия». Практическая польза здесь в том, что при помощи этого оборудования можно создать карту распространения тепла по электронной детали. А это, в свою очередь, открывает возможность проектирования элементов, которые эффективно охлаждаются.



Тем не менее, 10 нанометров по современным стандартам — это уже недостаточноеразрешение для оборудования. Поэтому ученые создали инструмент, способный измерять теплопроводность отдельных атомов, о чем и говорилось выше.

Успех оказался возможным благодаря двум ключевым факторам. Первый — это микроэлектромеханическая система с интегрированным термальным сенсором, который работает в рамках вакуумного сканирующего туннельного электронного микроскопа. Электрод, при помощи которого и проводят измерения, изолирован от теплового влияния среды чипа.

«В нашей работе мы доказали корректность закона Видемана — Франца в отношении квантовых точечных контактов, что было предсказано ученым из IBM Рольфом Ландауэром», — заявил один из участников исследования. Благодаря работе ученых из Исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе специалисты теперь смогут контролировать распространение тепла в устройствах размером с одну или несколько молекул. А это открывает широчайшие возможности для электроники, материаловедения и других направлений науки и техники.