掃描隧道顯微鏡以原子精度捕獲材料圖像，可用于操縱單個分子或原子。多年來，研究人員一直在使用這些儀器來探索納米現(xiàn)象的世界。Forschungszentrum Jülich 的物理學家的一種新方法現(xiàn)在正在為使用這些設備研究量子效應創(chuàng)造新的可能性。
由于磁冷卻，他們的掃描隧道顯微鏡無需任何移動部件即可工作，并且在低至 30 毫開爾文的極低溫度下幾乎無振動。該儀器可以幫助研究人員解鎖量子材料的特殊特性，這對量子計算機和傳感器的發(fā)展至關重要。
于利希量子顯微鏡的 Stefan Tautz 教授（左下）、Taner Esat 博士（左上）和 Ruslan Temirov 教授（右）圖片來源：Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
物理學家認為絕對零附近的溫度范圍是一個特別令人興奮的研究領域。熱波動降至最低。量子物理定律開始發(fā)揮作用，揭示材料的特殊性質(zhì)。然后電流自由流動，沒有任何阻力。另一個例子是一種稱為超流動的現(xiàn)象：單個原子融合成一個集體狀態(tài)，并在沒有摩擦的情況下相互移動。
研究和利用量子效應進行量子計算也需要這些極低的溫度。全世界以及 Forschungszentrum Jülich 的研究人員目前正在全速追求這一目標。在某些任務上，量子計算機可能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的超級計算機。然而，發(fā)展仍處于起步階段。一個關鍵的挑戰(zhàn)是尋找材料和工藝，使具有穩(wěn)定量子位的復雜架構(gòu)成為可能。
來自 Forschungszentrum Jülich 的 Ruslan Temirov 解釋說：“我相信像我們這樣的多功能顯微鏡是完成這項迷人任務的首選工具，因為它能夠以多種不同方式在單個原子和分子的水平上對物質(zhì)進行可視化和操作?！?/p>
量子物理研究的一個典型對象：在中心，可以看到單個分子，在顯微鏡尖端的幫助下將其分開。在接近絕對零的溫度下，沒有干擾圖像的噪聲。圖片來源：Forschungszentrum Jülich / Taner Esat, Ruslan Temirov
經(jīng)過多年的工作，他和他的團隊為此配備了帶有磁冷卻的掃描隧道顯微鏡。
“我們的新顯微鏡與所有其他顯微鏡的不同之處類似于電動汽車與內(nèi)燃機汽車的不同之處，”Jülich 物理學家解釋說。到目前為止，研究人員一直依靠一種液體燃料，即兩種氦同位素的混合物，將顯微鏡帶到如此低的溫度。
“在操作過程中，這種冷卻混合物通過細管不斷循環(huán)，這會導致背景噪音增加，”Temirov 說。
另一方面，Jülich 顯微鏡的冷卻裝置基于絕熱退磁過程。這個原則并不新鮮。它在 1930 年代首次用于在實驗室中達到低于 1 開爾文的溫度。
對于顯微鏡的操作，它有幾個優(yōu)點：“通過這種方法，我們可以通過改變通過電磁線圈的電流強度來冷卻我們的新顯微鏡。因此，我們的顯微鏡沒有移動部件，幾乎沒有振動?！?br style="color: rgb(102, 102, 102); font-family: 宋體; font-size: 12px; white-space: normal;"/> Jülich 科學家是有史以來第一個使用這種技術構(gòu)建掃描隧道顯微鏡的人。新的冷卻技術有幾個實際優(yōu)勢。它不僅提高了成像質(zhì)量，而且簡化了整個儀器的操作和整個設置。由于采用模塊化設計，Jülich 量子顯微鏡也對技術進步保持開放態(tài)度，因為可以輕松實施升級。
“絕熱冷卻是掃描隧道顯微鏡的真正飛躍。優(yōu)勢非常顯著，我們現(xiàn)在正在開發(fā)商業(yè)原型作為下一步，”Stefan Tautz 解釋說。量子技術是目前許多研究的重點。因此，保證了許多研究小組對這種儀器的興趣。
