Atomic Swiss Army kniv måler præcist materialer til kvantecomputere

Det viser enkelte atomer. Det kortlægger bakker og dale i atomskala på metal og isolerende overflader. Og den registrerer strømmen over atom-tynde materialer, der er udsat for kæmpe magnetfelter. Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet et nyt instrument, der kan foretage tre slags atomskala målinger samtidigt. Sammen, disse målinger kan afsløre ny viden om en lang række specialmaterialer, der er afgørende for udviklingen af ​​den næste generation af kvantecomputere, kommunikation og en lang række andre applikationer.

Fra smartphones til multicookers, enheder, der udfører flere funktioner, er ofte mere bekvemme og potentielt billigere end de enkeltværktøjer, de erstatter, og deres flere funktioner fungerer ofte bedre sammen end separat. Det nye tre-i-et-instrument er en slags schweizisk hærkniv til målinger i atomskala. NIST -forsker Joseph Stroscio og hans kolleger, herunder Johannes Schwenk og Sungmin Kim, præsentere en detaljeret opskrift på at bygge enheden i Gennemgang af videnskabelige instrumenter .

"Vi beskriver en plan for andre mennesker at kopiere, "Sagde Stroscio." De kan ændre de instrumenter, de har; de behøver ikke købe nyt udstyr. "

Ved samtidig at udføre målinger på skalaer fra nanometer til millimeter, instrumentet kan hjælpe forskere med at nulstille atomernes oprindelse i flere usædvanlige egenskaber i materialer, der kan vise sig uvurderlige for en ny generation af computere og kommunikationsenheder. Disse egenskaber inkluderer den modstandsfri strøm af elektrisk strøm, kvantespring i elektrisk modstand, der kunne tjene som nye elektriske afbrydere, og nye metoder til at designe kvantebits, hvilket kunne føre til solid-state-baserede kvantecomputere.

"Ved at forbinde det atomare med den store skala, vi kan karakterisere materialer på en måde, som vi ikke kunne før, "sagde Stroscio.

Selvom alle stoffers egenskaber har deres rødder i kvantemekanikken - de fysiske love, der styrer det lilliputiske område af atomer og elektroner - kan kvanteeffekter ofte ignoreres på store skalaer som den makroskopiske verden, vi oplever hver dag. Men for en meget lovende klasse af materialer kendt som kvantematerialer, som typisk består af et eller flere atomtynde lag, stærke kvanteeffekter mellem grupper af elektroner vedvarer over store afstande, og kvanteteoriens regler kan dominere selv på makroskopiske længdeskalaer. Disse effekter fører til bemærkelsesværdige egenskaber, der kan udnyttes til nye teknologier.

For at studere disse egenskaber mere præcist, Stroscio og hans kolleger kombinerede i et enkelt instrument en trio præcisionsmåleapparater. To af enhederne, et atomkraftmikroskop (AFM) og et scanningstunnelmikroskop (STM), undersøge mikroskopiske egenskaber af faste stoffer, mens det tredje værktøj registrerer den makroskopiske egenskab ved magnetisk transport - strømmen af ​​strøm i nærvær af et magnetfelt.

"Ingen enkelt målingstype giver alle svarene til forståelse af kvantematerialer, "sagde NIST -forsker Nikolai Zhitenev." Denne enhed, med flere måleværktøjer, giver et mere omfattende billede af disse materialer. "

For at bygge instrumentet, NIST-teamet designede en AFM og en magnetisk transport-måleenhed, der var mere kompakte og havde færre bevægelige dele end tidligere versioner. De integrerede derefter værktøjerne med en eksisterende STM.

Både en STM og en AFM bruger en nålskarp spids til at undersøge atomskala strukturen af ​​overflader. En STM kortlægger topografien af ​​metaloverflader ved at placere spidsen inden for en brøkdel af et nanometer (milliarddel af en meter) af det undersøgte materiale. Ved at måle strømmen af ​​elektroner, der tunneller ud af metaloverfladen, når den skarpe spids svæver lige over materialet, STM afslører prøveens bakker og dale i atomskala.

I modsætning, en AFM måler kræfter ved ændringer i den frekvens, hvormed dens spids svinger, når den svæver over en overflade. (Spidsen er monteret på en miniature cantilever, som tillader sonden at svinge frit.) Oscillationsfrekvensen skifter, når den skarpe sonde registrerer kræfter, såsom tiltrækning mellem molekyler, eller de elektrostatiske kræfter med materialets overflade. For at måle magnetisk transport, en strøm påføres på en overflade nedsænket i et kendt magnetfelt. Et voltmeter registrerer spændingen forskellige steder på enheden, afslører materialets elektriske modstand.

Ensemblet er monteret inde i en kryostat, en enhed, der nedkøler systemet til en hundrededel af en grad over det absolutte nul. Ved den temperatur, den tilfældige kvantejitter af atompartikler minimeres, og store kvanteeffekter bliver mere udtalte og lettere at måle. Den tre-i-en enhed, som er beskyttet mod ekstern elektrisk støj, er også fem til ti gange mere følsom end noget tidligere sæt lignende instrumenter, nærmer sig den grundlæggende kvantestøjgrænse, der kan opnås ved lave temperaturer.

Selvom det er muligt for tre helt uafhængige instrumenter - en STM, en AFM og en magnetisk transportopsætning - for at foretage de samme målinger, indsættelse og derefter tilbagetrækning af hvert værktøj kan forstyrre prøven og reducere analysens nøjagtighed. Separate instrumenter kan også gøre det svært at kopiere de nøjagtige betingelser, såsom temperaturen og rotationsvinklen mellem hvert ultratynde lag af kvantematerialet, hvor tidligere målinger blev foretaget.

For at nå målet om et tre-i-et-instrument med høj følsomhed, NIST -teamet samarbejdede med et internationalt team af eksperter, herunder Franz Giessibl fra University of Regensburg, Tyskland, der opfandt en yderst effektiv AFM kendt som qPlus AFM. Holdet valgte et kompakt design, der øgede mikroskopets stivhed og udstyrede systemet med en række filtre til at afskærme radiofrekvensstøj. STM's atomtynde nål fordoblet som kraftsensor for AFM, som var baseret på et nyt kraftsensordesign skabt af Giessibl til tre-i-et-instrumentet.

For Stroscio, en pioner i opbygningen af ​​stadig mere sofistikerede STM'er, den nye enhed er noget af et højdepunkt i en karriere inden for mere end tre årtier inden for scanning af probemikroskopi. Hans team, bemærkede han, havde kæmpet i flere år for dramatisk at reducere den elektriske støj i sine målinger. "Vi har nu opnået den ultimative opløsning givet af termiske og kvantegrænser i dette nye instrument, "Sagde Stroscio.

"Det føles som om jeg har besteget den højeste top i Rocky Mountains, "tilføjede han." Det er en god syntese af alt, hvad jeg har lært i løbet af de sidste 30 år. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.