План за изграждане на инструмент за измерване три в едно за изследване на квантови материали

Той изобразява единични атоми. Той картографира атомни хълмове и долини върху метални и изолационни повърхности. И записва потока на ток през тънки от атом материали, подложени на гигантски магнитни полета. Учените от Националния институт за стандарти и технологии (NIST) са разработили нов инструмент, който може да извършва три вида измервания на атомна скала едновременно. Заедно тези измервания могат да разкрият нови знания за широк спектър от специални материали, които са от решаващо значение за разработването на следващото поколение квантови компютри, комуникации и множество други приложения.

измерва

От смартфони до мултикукъри, устройствата, които изпълняват няколко функции, често са по-удобни и потенциално по-евтини от едноцелевите инструменти, които те заменят, и многобройните им функции често работят по-добре съвместно, отколкото отделно. Новият инструмент „три в едно“ е вид швейцарски армейски нож за измерване на мащаб на атома. Изследователят на NIST Джоузеф Стросио и неговите колеги, включително Йоханес Швенк и Сунгмин Ким, представят подробна рецепта за изграждане на устройството в Прегледа на научните инструменти.

"Описваме план, който да копират други хора", каза Стросио. "Те могат да модифицират инструментите, които имат; не е нужно да купуват ново оборудване."

Чрез едновременното провеждане на измервания на скали, вариращи от нанометри до милиметри, инструментът може да помогне на изследователите да се насочат към атомния произход на няколко необичайни свойства в материалите, които могат да се окажат безценни за ново поколение компютри и комуникационни устройства. Тези свойства включват поток без съпротивление на електрически ток, квантови скокове в електрическото съпротивление, които могат да служат като нови електрически превключватели, и нови методи за проектиране на квантови битове, които могат да доведат до базирани на твърдо състояние квантови компютри.

"Чрез свързването на атома с големия мащаб можем да характеризираме материалите по начин, по който не сме могли преди", каза Стросио.

Въпреки че свойствата на всички вещества се коренят в квантовата механика - физическите закони, които управляват лилипутското царство на атомите и електроните - квантовите ефекти често могат да бъдат пренебрегнати в големи мащаби като макроскопичния свят, който изпитваме всеки ден. Но за много обещаващ клас материали, известни като квантови материали, които обикновено се състоят от един или повече атомно тънки слоя, силните квантови ефекти между групите електрони продължават на големи разстояния и правилата на квантовата теория могат да доминират дори на макроскопични скали с дължина. Тези ефекти водят до забележителни свойства, които могат да бъдат използвани за новите технологии.

За да изучат по-точно тези свойства, Stroscio и неговите колеги комбинират в един инструмент три прецизни измервателни устройства. Две от устройствата, атомно-силов микроскоп (AFM) и сканиращ тунелен микроскоп (STM), изследват микроскопичните свойства на твърдите вещества, докато третият инструмент записва макроскопичното свойство на магнитния транспорт - потока на тока в присъствието на магнитно поле.

„Нито един вид измерване не дава всички отговори за разбиране на квантовите материали“, каза изследователят на NIST Николай Житенев. „Това устройство с множество измервателни инструменти предоставя по-изчерпателна картина на тези материали.“

За да изгради инструмента, екипът на NIST проектира AFM и устройство за измерване на магнитен транспорт, които са по-компактни и имат по-малко движещи се части от предишните версии. След това те интегрираха инструментите със съществуващ STM.

И STM, и AFM използват остър игла, за да изследват структурата на атомната скала на повърхностите. STM картографира топографията на металните повърхности, като поставя върха в рамките на част от нанометър (милиардна част от метър) от изследвания материал. Чрез измерване на потока от електрони, които излизат от металната повърхност, докато острият връх витае точно над материала, STM разкрива хълмовете и долините на атомния мащаб на пробата.

За разлика от това, AFM измерва силите чрез промени в честотата, с която върхът му трепне, докато се движи над повърхността. (Върхът е монтиран на миниатюрна конзола, която позволява на сондата да се люлее свободно.) Честотата на трептенията се променя, тъй като острата сонда усеща сили, като привличането между молекулите или електростатичните сили с повърхността на материала. За измерване на магнитния транспорт се прилага ток през повърхността, потопена в известно магнитно поле. Волтметър записва напрежението на различни места на устройството, разкривайки електрическото съпротивление на материала.

Ансамбълът е монтиран в криостат, устройство, което охлажда системата до една стотна от градуса над абсолютната нула. При тази температура случайното квантово трептене на атомните частици е сведено до минимум и мащабните квантови ефекти стават по-изразени и по-лесни за измерване. Устройството три в едно, което е защитено от външен електрически шум, също е пет до 10 пъти по-чувствително от всеки предходен набор от подобни инструменти, приближавайки се до основната граница на квантовия шум, която може да бъде постигната при ниски температури.

Въпреки че е възможно три напълно независими инструмента - STM, AFM и магнитна транспортна настройка - да извършват едни и същи измервания, вмъкването и след това прибиране на всеки инструмент може да наруши пробата и да намали точността на анализа. Отделни инструменти също могат да затруднят репликирането на точните условия, като например температурата и ъгъла на въртене между всеки ултратънък слой на квантовия материал, при които са направени предишни измервания.

За да постигне целта на инструмент „три в едно“ с висока чувствителност, екипът на NIST си партнира с международен екип от експерти, включително Франц Гисибъл от Университета в Регенсбург, Германия, който изобретява високоефективен AFM, известен като qPlus AFM. Екипът избра компактен дизайн, който увеличи твърдостта на микроскопа и снабди системата с поредица от филтри за екраниране на радиочестотния шум. Атомно тънката игла на STM се удвои като сензор за сила за AFM, който се основава на нов дизайн на сензор за сила, създаден от Giessibl за инструмента три в едно.

За Stroscio, пионер в изграждането на все по-сложни STM, новото устройство е нещо като връх в повече от три десетилетия кариера в сканиращата сонда микроскопия. Неговият екип, отбеляза той, се бори от няколко години драстично да намали електрическия шум при измерванията си. „Сега постигнахме крайната разделителна способност, дадена от термичните и квантовите граници в този нов инструмент“, каза Стросио.

„Това е усещане, сякаш съм изкачил най-високия връх на Скалистите планини“, добави той. "Това е хубав синтез на всичко, което научих през последните 30 години."