IBM創造納米世界新工具——掃描探針溫度計

材料牛注：繼掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡之后，IBM實驗室又重磅推出了一個新發明——掃描探針溫度計，來幫助我們更好地理解納米世界。

如何精確地測量納米尺度物質的溫度這個問題已經困擾科學家們幾十年了。現行的一些測量方法，一般結果不準確而且常會引起失真，所以可靠性不高。但是為了使未來的電腦具有感知能力，科學家們需要精確表征其晶體管的溫度，他們要怎么應對挑戰呢？

發明過程

早在20世紀80年代，IBM實驗室的科學家Gerd Binnig以及后來的Heinrich Rohrer想要直接探索材料表面的電子結構及缺陷，但是卻苦于沒有這樣的儀器存在。因此他們就做了一件任何一個偉大的科學家都會做的事情：自己發明了一個這樣的儀器，也就是后來大名鼎鼎的掃描隧道顯微鏡，從而打開了人類邁向納米世界的大門。該項發明獲得了科學界的高度認可，發明者也因此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。

在后來的30多年里，IBM的科學家們繼續沿著Binnig和Rohrer的腳步前進，創造了許多新的發明，納米尺度測溫技術就是其中之一了。他們將材料自身的熱量傳感和顯微鏡的測量能力相結合，發明了掃描探針測溫計。

如何工作

測量宏觀物質的溫度最常見的方法是讓溫度計與被測物體相接觸。遺憾的是，該方法用來測量納米尺度的物質就有一點問題了。比如說，用現在常見的溫度計去測量單個病毒的溫度就不太可能。因為病毒太小了，在不影響病毒自身溫度的情況下，溫度計的能量不可能與之平衡。

為了解決這個問題，IBM的科學家發明了一種單一掃描非平衡接觸式測溫技術，使用一個掃描探針去測量納米尺度物質的溫度。同時測量兩個信號：一是小的熱流量，二是熱流阻抗，結合這兩個信號，納米尺度物質的溫度可以被準確測量。

IBM的科學家Bernd Gotsmann博士解釋道：“這項技術類似于我們自己去接觸一個熱片，通過感知我們自身和熱源之間的熱流來推斷它的溫度。本質上，這個探針就是我們的手，在判斷物體溫度時我們對冷熱的感知很重要，但是如果熱流的阻抗是未知的，我們也有可能被誤導。”

Fabian Menges是IBM實驗室的一名博士后，也是該技術的發明者之一。他補充道：“掃描探針溫度計不僅測量精確，而且操作簡便，能夠實現多方面的功能。例如，它可以測量能夠影響材料局部物理性能的，精確到納米尺寸的某一點的性能。或者是控制晶體管、存儲單元、熱電能量轉換器等微小設備里的化學變化。總之，它的應用是十分廣泛的。”

“無聲實驗室”

18個月以前，也就是該團隊將研究室轉移至一個新的“無聲實驗室”的時候，他們在開發掃描探針溫度計的路上，終于看到了曙光。這個“無聲實驗室”位于IBM在蘇黎世的工業園區地下六米深的Binnig和Rohrer的納米技術中心。這個獨一無二的環境，保證了實驗不會受到震動、噪聲、電磁和溫度波動等干擾，幫助他們將測量精度提高到千分之一開爾文。
但是，Menges也表示：“雖然我們的發明得益于這個獨一無二的“無聲實驗室”，但是該技術在普通的環境中也能產生可靠的結果。”

對于該團隊下一步的計劃，Gotsmann博士表示：我們希望文章的發表將會給像我們這樣的一直探索這樣的工具的科學家們帶來興奮和輕松。與掃描隧道顯微鏡類似，我們希望將這項技術帶給儀器制造商，從而把它推向市場，給他們的顯微鏡增添一個附加功能。