为研究量子效应而开发的新型扫描隧道显微镜问世

量子物理研究的典型对象：在中心，可以看到单个分子，在显微镜尖端的帮助下将其分离。在接近绝对零的温度下，没有干扰图像的噪声。图片来源：Taner Esat、Ruslan Temirov/Forschungszentrum Jülich

扫描隧道显微镜以原子精度捕获材料的图像，可用于操纵单个分子或原子。多年来，研究人员一直在使用这些仪器来探索纳米现象的世界。Forschungszentrum Jülich 的物理学家采用了一种新方法，现在正在为使用这些设备研究量子效应创造新的可能性。由于磁冷却，他们的扫描隧道显微镜无需任何移动部件即可工作，并且在低至 30 毫开尔文的极低温度下几乎没有振动。该仪器可以帮助研究人员解锁量子材料的特殊特性，这对于量子计算机和传感器的发展至关重要。

物理学家认为接近绝对零的温度范围是一个特别令人兴奋的研究领域。热波动降至最低。量子物理定律开始发挥作用并揭示材料的特殊性质。然后电流在没有任何阻力的情况下自由流动。另一个例子是一种称为超流性的现象：单个原子融合成一个集体状态并在没有摩擦的情况下相互移动。

研究和利用量子效应进行量子计算也需要这些极低的温度。全世界以及 Forschungszentrum Jülich 的研究人员目前正在全速追求这一目标。在某些任务上，量子计算机可能远远优于传统的超级计算机。然而，发展仍处于起步阶段。一个关键挑战是寻找能够使具有稳定量子位的复杂架构成为可能的材料和工艺。

“我相信像我们这样的多功能显微镜是完成这项迷人任务的首选工具，因为它能够以多种不同方式在单个原子和分子的水平上对物质进行可视化和操纵，”Forschungszentrum Jülich 的 Ruslan Temirov 解释说。

经过多年的工作，他和他的团队为此配备了带有磁冷却功能的扫描隧道显微镜。“我们的新显微镜不同于其他所有显微镜，就像电动汽车与内燃机汽车的不同一样，”Jülich 物理学家解释道。到目前为止，研究人员一直依靠一种液体燃料，即两种氦同位素的混合物，将显微镜带到如此低的温度。“在运行过程中，这种冷却混合物在细管道中不断循环，这会导致背景噪音增加，”Temirov 说。

另一方面，Jülich 显微镜的冷却装置是基于绝热退磁过程的。原则并不新鲜。它在 1930 年代首次在实验室中达到低于 1 开尔文的温度。对于显微镜的操作，它有几个优点，Ruslan Temirov 说：“通过这种方法，我们可以通过改变通过电磁线圈的电流强度来冷却我们的新显微镜。因此，我们的显微镜没有移动部件，几乎没有振动。”

Jülich 的科学家是第一个使用这种技术构建扫描隧道显微镜的人。“新的冷却技术有几个实际优势。它不仅提高了成像质量，而且简化了整个仪器的操作和整个设置，”研究所所长 Stefan Tautz 说。他补充说，由于其模块化设计，Jülich 量子显微镜也对技术进步持开放态度，因为升级可以很容易地实施。

“绝热冷却是扫描隧道显微镜的真正巨大飞跃。优势非常显着，我们现在正在开发商业原型作为下一步，”Stefan Tautz 解释说。量子技术目前是许多研究的焦点。因此，保证了许多研究小组对这种仪器的兴趣。

参考资料： Esat T、Borgens P、Yang X 等。具有绝热退磁制冷的超高真空米开尔文扫描隧道显微镜。转科学。仪表。2021;92(6):063701。doi: 10.1063/5.0050532

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