Ingenieros de IBM desarrollan termómetro nanoscópico, permitiendo mapeo preciso de temperatura en dispositivos cuánticos

El laboratorio de IBM que pionero el microscopio de túnel de barrido (STM) y el microscopio de fuerza atómica (AFM) ha introducido una nueva herramienta indispensable para investigación a nanoescala: un termómetro de sonda de barrido capaz de medir temperaturas con precisión de milikelvin.

Medir con precisión la temperatura de objetos a escala nanométrica ha planteado un desafío largo. Los métodos existentes son inexactos o introducen artefactos de medición que comprometen la fiabilidad.

Motivados por la necesidad de caracterizar diseños de transistores de próxima generación para computación cognitiva, científicos de IBM en Suiza, en colaboración con ETH Zurich, revelaron una técnica revolucionaria. La invención pendiente de patente se describe en la revista revisada por pares Nature Communications bajo el título "Temperature mapping of operating nanoscale devices by scanning probe thermometry."

Historia de innovación

En los años 80, los investigadores de IBM Gerd Binnig y el fallecido Heinrich Rohrer reconocieron que los instrumentos existentes no podían sondear directamente la estructura electrónica de una superficie. Inventaron el STM, decisión que les valió el Premio Nobel de Física 1986 y abrió el campo de la nanotecnología.

Ahora, más de tres décadas después, los científicos de IBM siguen ese espíritu pionero con un termómetro diseñado para la nanoescala.

Dr. Fabian Menges, postdoc de IBM y coinventor, señala: "Comenzamos en 2010 y fuimos implacables. Trabajos previos se enfocaron en un termómetro nanoscópico, pero lo reimaginamos como un termómetro para la nanoescala —una distinción esencial que llevó a nuestro enfoque de termometría de sonda de barrido."

Cómo funciona la termometría de sonda de barrido

Las mediciones de temperatura tradicionales implican poner un termómetro en contacto térmico con una muestra, permitiendo equilibrarse. Aunque esto funciona en macroescala, falla en nanoescala donde la sonda no puede equilibrarse sin perturbar la muestra —piense en intentar medir la temperatura de un virus con un termómetro convencional.

La solución de IBM es una técnica de escaneo único en no equilibrio que captura dos señales simultáneas: el flujo de calor hacia la sonda y la resistencia al flujo de calor. Combinando estas mediciones, el método cuantifica con precisión la temperatura de objetos nanoscópicos.

El Dr. Bernd Gotsmann explica: "Es como tocar una placa caliente e inferir su temperatura del flujo de calor entre su mano y la placa. La punta de la sonda actúa como la mano; conocer la resistencia térmica es esencial para una estimación precisa."

El equipo validó la técnica en un nanohilo de arseniuro de indio (InAs) y una interconexión de oro auto-calentada, logrando resolución espacial de pocos nanómetros y resolución de temperatura de pocos milikelvin.

Aplicaciones e impacto

Menges destaca que el escáner no solo es preciso sino también amigable para el usuario, simple de construir y versátil. Puede medir puntos calientes en dispositivos nano y micro, influyendo propiedades de materiales y guiando reacciones en transistores, celdas de memoria, convertidores termoeléctricos y estructuras plasmónicas.

Laboratorios libres de ruido

El desarrollo del termómetro se aceleró tras la reubicación del equipo a los Laboratorios Libres de Ruido —seis metros bajo tierra en el Centro de Nanotecnología Binnig y Rohrer. Este entorno elimina vibración, ruido acústico, interferencia electromagnética y fluctuaciones de temperatura, permitiendo precisión sub-milikelvin.

"Incluso fuera de este entorno controlado, la técnica entrega resultados fiables," dice Menges.

Perspectivas futuras

Gotsmann expresa optimismo: "Anticipamos que este trabajo generará entusiasmo y alivio entre investigadores que buscan tal herramienta. Como el STM, esperamos licenciar la tecnología a fabricantes, integrándola en suites de microscopía de próxima generación."

Los científicos reconocen apoyo del 7º Programa Marco bajo el proyecto NANOHEAT y la Fundación Nacional Suiza de Ciencia.