Группа ученых из исследовательского подразделения компании IBM в Цюрихе получила первые экспериментальные доказательства одного из «труднодоказуемых» физических законов. А использованные при этом технологии могут стать одним из способов управления потоками тепла, проблемы, с которой постоянно сталкивается современная электроника и полупроводниковая техника. Суть данного достижения заключается в том, что ученым удалось произвести непосредственные измерения квантовой тепловой проводимости в точке контакта двух золотых проводников, при этом, измерения производились на уровне отдельных атомов и все это происходило при комнатной температуре.

Проведенные учеными измерения служат доказательством закона Видеманна-Франца, который определяет, что самое малое количество тепла (тепловой квант), способное пройти через проводник, прямо пропорционально кванту электрической проводимости этого проводника. Полученное экспериментальное подтверждение этого закона позволит ученым с уверенностью предсказывать и исследовать взаимосвязанные тепловые и электрические явления, происходящие на наноразмерном уровне и даже на более низком уровне, на уровне отдельных молекул и атомов.

Ученым удалось произвести измерения при помощи новой технологии сканирующей термометрии, разработанной в IBM Zurich только в прошлом году. Эта технология является своего рода симбиозом высокоточной нанотермометрии и сканирующего атомно-силового микроскопа. Наконечник сканирующего микроскопа используется для измерения двух величин, количества тепловой энергии, передаваемой от поверхности контролируемого материала к материалу наконечника, и теплового сопротивления исследуемого материала. Комбинируя эти два вида измерений, ученые могут с высокой точностью вычислить температуру и количество теплоты, которое заключено в локальном объеме наноразмерного устройства.

Отметим, что первый созданный учеными сканирующий термометр был неспособен к регистрации воздействия единичных тепловых квантов на объекты, меньшие, чем 10 нанометров. Однако, ряд доработок и модификаций используемого оборудования позволили ученым увеличить разрешающую способность устройства до уровня отдельного атома, размер которого, в зависимости от вида химического элемента, может быть равен 0.1-0.3 нанометра.

Ключевым моментом данного достижения была разработанная специально для этого микроэлектромеханическая система (microelectromechanical system, MEMS), включающая в себя интегрированный тепловой датчик и установленная на наконечнике вакуумного туннельного сканирующего микроскопа. Свою роль в этом деле сыграло то, что все сверхвысокоточное и чувствительное оборудование находилось в звуко- и виброизолированной лаборатории IBM Noise Free Lab, которая также обеспечивает защиту области проведения эксперимента от внешних электрических и магнитных полей.

Новая система, помимо всех измерений, проводимых предыдущей системой, измеряет еще и электрическую проводимость участка исследуемого материала, что позволяет количественно оценить процесс переноса электрических зарядов в металлическом проводнике. Используя эти дополнительные возможности, ученые смогут изучить то, как межатомные связи могут способствовать тепловой передаче в точке контакта различных материалов. И важность таких исследований крайне важна, так как поведение многих материалов по отношению к теплу коренным образом меняется при переходе от обычного к наноразмерному уровню.

Ученые компании IBM считают, что у их из новой технологии измерений имеется множество областей применения в современной науке. «Это позволит нам исследовать процесс переноса тепла не только в местах контакта разных материалов, все тоже самое мы сможем сделать по отношению к квантовым точкам, и даже по отношению к отдельным молекулам. А это должно сыграть в будущем ключевую роль в технологиях управления потоками тепла на наноразмерном уровне».