Teadlased kraadivad nanomaailma
Kaasaegse maailma üheks alustalaks olevad transistorid on üliväikesed. Üksikutest pooljuhtseadistest õhkuv soojus on pea olematu. Nende arv teeb aga selle kuhjaga tasa. Transistorid asetsevad kiipidel niivõrd tihedalt, et neid mahuks isegi kõige õhukesema juuksekarva otsale umbes 5000. Nii pole ime, et meestel ei soovitata nende viljakuse huvides rüperaali süles hoida. Kuid temperatuur mõjutab ka transistoride enda töökindlust ja sooritust. „Ammu enne seda, kui me Moore'i seaduse piirini jõuame, tekib meil probleem sellega, kuhu arvutuste tegemisel tekkiv soojus panna,“ nentis uurimuse juhtivautor Matthew Mecklenburg Lõuna-California ülikoolist. Hetkel jääb üle loota, et transistoride alusmaterjaliks olev räniplaat jõuab tekkivast soojusest piisavalt kiiresti vabaneda. „Millegi parema loomiseks peame tuginema arvutisimulatsioonidele või üritama mõõta seadme temperatuuri otseselt selle erinevates osades. Kuid temperatuuri mõõtmine on tekitanud probleeme. Ilmselt seetõttu, et inimesed üritavad kasutada nanomaailmas makroskoopilisest maailmast pärit lahendusi. Suured makroskoopilised kehad mõjutavad aga ise mõõdetava temperatuuri,“ laiendas Mecklenburg. Postdoktor leidis, et lahendus võiks peituda klassikalises elavhõbedatermomeetris. Umbes sellises, millega veel kümnekonna aasta eest laialdaselt palavikku mõõdeti. Nähtavat soojuslikku paisumist ei kasutata aga mõne teise keha temperatuuri mõõtmiseks, vaid „termomeetri“ enda temperatuuri hindamiseks. „Temperatuuri muutudes muutub materjali tihedus, mis sõltub omakorda laengute võnkumisest. Neid saab omakorda mõõta läbivkiirguse elektronmikroskoobiga nanomeetrise lahutusvõimega. Seejuures ei pea mikroskoop huvialuse kehaga kontaktis olema,“ selgitas füüsik. Elektrivooluga kuumutatud alumiiniumist nanojuhtmes nähtavaid võnkeid ehk plasmoneid võrreldi toatemperatuuril seisnud nanojuhtme omaga. Nähtud erinevuste põhjal arvutas töörühm kuumutatud nanojuhtme temperatuuri neljakraadise täpsusega. Ruumiline lahutusvõime jäi viie nanomeetri lähedale. Tänapäeva elektroonikaseadmetes kohatavate transistoride läbimõõt on 20-30 nanomeetrit. Ideed kasutada plasmoneid temperatuuri hindamiseks polnud varem realiseeritud. Teadlased oletasid, et meetod on rahuldava lahutusvõime saamiseks liiga rohmakas. Mecklenburg leidis kolleegidega võimaluse ilmselgetest piirangutest mööda hiilida. „Me ei lähtunud piirkonna temperatuuri määramisel vaid ühest pikslist, vaid ka kümnetest seda ümbritsevatest pikslitest,“ laiendas postdoktor. Kuigi katses kasutati alumiiniumit, mis on oma soojuspaisumise ja selgelt piiritletud plasmonite poolest teada-tuntud, märkis Mecklenburg, et sarnast käitumist võib näha ka mitmetes pooljuhtides, mis on elektroonikaseadmete südameks „Arvutikiipide tootjad kasutavad läbivkiirguse elektronmikroskoopi juba tänagi toodetavate integraallülituste täpse suuruse mõõtmiseks. Ent töö annab mõista, et nad saaksid seda kasutada ka nende temperatuuri määramiseks. Selle alusel oleks võimalik ehitada soojust paremini hajutavaid seadmeid ja pikendada sellega nende eluiga, energiatõhusust ja toimimist,“ lootis füüsik. Samuti võib sellest abi olla alusuuringutes. „Põhimõtteliselt on võimalik kasutada alumiiniumist nanoosakesi termomeetritena, mida saab paigutada uuritavatele proovidele tunduvalt lähemale kui tavaliselt temperatuuri mõõtmiseks kasutatavaid mõõteseadmeid,“ lisas Mecklenburg. Uurimus ilmus ajakirjas Science.
