Et unikt scanning tunnelmikroskop med magnetisk køling til at studere kvanteeffekter

Scanning tunneling mikroskoper fanger billeder af materialer med atomær præcision og kan bruges til at manipulere individuelle molekyler eller atomer. Forskere har brugt instrumenterne i mange år til at udforske verden af ​​nanoskopiske fænomener. En ny tilgang fra fysikere ved Forschungszentrum Jülich skaber nu nye muligheder for at bruge enhederne til at studere kvanteeffekter. Takket være magnetisk køling, deres scanning tunneling mikroskop fungerer uden bevægelige dele og er næsten vibrationsfri ved ekstremt lave temperaturer helt ned til 30 millikelvin. Instrumentet kan hjælpe forskere med at låse op for kvantematerialers exceptionelle egenskaber, som er afgørende for udviklingen af ​​kvantecomputere og sensorer.

Fysikere anser temperaturområdet nær det absolutte nul for at være et særligt spændende område for forskning. Termiske udsving reduceres til et minimum. Kvantefysikkens love spiller ind og afslører materialers særlige egenskaber. Elektrisk strøm flyder så frit uden nogen modstand. Et andet eksempel er et fænomen kaldet superfluiditet:Individuelle atomer smelter sammen til en kollektiv tilstand og bevæger sig forbi hinanden uden friktion.

Disse ekstremt lave temperaturer er også nødvendige for at forske i og udnytte kvanteeffekter til kvanteberegning. Forskere verden over såvel som ved Forschungszentrum Jülich forfølger i øjeblikket dette mål med fuld fart. Kvantecomputere kunne være langt bedre end konventionelle supercomputere til visse opgaver. Imidlertid, udvikling er stadig i sin vorden. En central udfordring er at finde materialer og processer, der gør komplekse arkitekturer med stabile kvantebits mulige.

"Jeg tror på, at et alsidigt mikroskop som vores er det foretrukne værktøj til denne fascinerende opgave, fordi det gør det muligt at visualisere og manipulere stof på niveau med individuelle atomer og molekyler på mange forskellige måder, " forklarer Ruslan Temirov fra Forschungszentrum Jülich.

Gennem mange års arbejde, han og hans team har udstyret et scanningstunnelmikroskop med magnetisk køling til dette formål. "Vores nye mikroskop adskiller sig fra alle de andre på samme måde, som en elbil adskiller sig fra et køretøj med en forbrændingsmotor, " forklarer Jülich-fysikeren. Indtil nu, forskere har stolet på en slags flydende brændstof, en blanding af to heliumisotoper, at bringe mikroskoper til så lave temperaturer. "Under operationen, denne køleblanding cirkulerer kontinuerligt gennem tynde rør, hvilket fører til øget baggrundsstøj, " siger Temirov.

Køleanordningen til Jülichs mikroskop, på den anden side, er baseret på processen med adiabatisk afmagnetisering. Princippet er ikke nyt. Det blev brugt i 1930'erne til at nå temperaturer under 1 kelvin i laboratoriet for første gang. Til betjening af mikroskoper, det har flere fordele, siger Ruslan Temirov:"Med denne metode, vi kan afkøle vores nye mikroskop blot ved at ændre styrken af ​​den elektriske strøm, der passerer gennem en elektromagnetisk spole. Dermed, vores mikroskop har ingen bevægelige dele og er praktisk talt vibrationsfrit."

Jülich-forskerne er de første nogensinde, der har konstrueret et scanningstunnelmikroskop ved hjælp af denne teknik. "Den nye køleteknologi har flere praktiske fordele. Ikke kun forbedrer den billedkvaliteten, men betjeningen af ​​hele instrumentet og hele opsætningen er forenklet, " siger instituttets direktør Stefan Tautz. Takket være dets modulære design, Jülich kvantemikroskop er også åbent for tekniske fremskridt, tilføjer han, da opgraderinger nemt kan implementeres.

"Adiabatisk køling er et rigtigt kvantespring for scanning tunneling mikroskopi. Fordelene er så betydelige, at vi nu udvikler en kommerciel prototype som vores næste skridt, " forklarer Stefan Tautz. Kvanteteknologier er i øjeblikket i fokus for megen forskning. Mange forskergruppers interesse for et sådant instrument er derfor sikret.

Forskningen blev offentliggjort i Gennemgang af videnskabelige instrumenter .