在室温状态下对单原子进行热量测量,这一直是没有被攻克的难题,也是关乎量子应用中热量管理的一个重要影响方面。近日,来自 IBM 苏黎世的研究团队成功对金量子进行了点接触热传导测量,这也是人类史上第一次完成对量子级别单位热量的准确测量。

在这次实验成功之前,威德曼-弗朗兹定律就在理论上证明,在给定温度下,许多金属材料的热导率 (λ) 与它的电导率 (σ) 之比约为常数。但是之前一直没有人成功给出确切的实验数据给予证明。因此,这次 IBM 团队的研究实验可以说是打开了预测和探索纳米级热电现象的大门,人们可以在原子和单个分子大小的材料单位对相关的参数进行测量。

“虽然已经有了威德曼-弗朗兹定律从理论上对这一现象进行了证明,但是当进入纳米级单位时,证明就变得困难了。”IBM 的科学家 Bernd Gotsmann 解释,“我们认为这一困难主要在于如何在小的尺度单位上对热传导进行精确的测量。”

用更精确的单量子检测,IBM 想尽快实现室温下的量子热管理

早在去年,IBM 苏黎世团队就已经开发了一种新型的显微技术——扫描探针温度测定法,来对实验结果进行确认。在《自然纳米技术》杂志上发表的论文来看,该技术实际上就是将热感测与显微镜的测量能力相结合。这一新型的设备不是试图制造出一个纳米级的温度计,而是通过对其他参数的测量,来推算出量子的温度。

具体说来,这一测量设备是由原子力显微镜(AFM)对两个参数的获取完成的。第一就是通过测量材料表面传递热能获取的热通量,第二就是材料对热流的阻力。通过结合这两个参数,就能获知纳米级器件上的热量。

据了解,目前研究团队已经将这一检测的灵敏度提升到了原子大小的级别,大约为 0.1 至 0.3 纳米,同时测量还会受到不同元素性质的影响。

“测量在纳米尺度上所产生和传导的热量是非常具有挑战性的,”Gotsmann 说道, “特别是热传感器的制造已经是一个主要的障碍。它们必须足够灵敏,以检测到单个的原子,并且同时足够坚硬,以在测量时间内一直保持这种稳定的接触。”

IBM 团队认为,这种测量技术有许多应用方向。在发表的论文中,研究人员表示,“这将使热传输不仅能够发生在不同的金属量子点之间,而且在分子连接中同样能够进行,这是管理和控制纳米级热量的基本科学和技术飞跃。”