Он изображает отдельные атомы. Он отображает холмы и долины атомного масштаба на металлических и изоляционных поверхностях. И он регистрирует протекание тока через материалы толщиной в атом, подверженные воздействию гигантских магнитных полей. Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый прибор, который может одновременно проводить три вида измерений в атомном масштабе. Вместе эти измерения могут открыть новые знания о широком спектре специальных материалов, которые имеют решающее значение для разработки следующего поколения квантовых компьютеров, средств связи и множества других приложений.
От смартфонов до мультиварок устройства, выполняющие несколько функций, часто более удобны и потенциально дешевле, чем одноцелевые инструменты, которые они заменяют, а их многочисленные функции часто лучше работают вместе, чем по отдельности. Новый прибор «три в одном» представляет собой нечто вроде швейцарского армейского ножа для измерений в атомном масштабе. Исследователь NIST Джозеф Строшио и его коллеги, в том числе Йоханнес Швенк и Сунгмин Ким, представили подробный рецепт создания устройства в Review of Scientific Instruments.
«Мы описываем план для копирования другими людьми», - сказал Строшио. «Они могут модифицировать имеющиеся у них инструменты, им не нужно покупать новое оборудование».
Одновременно проводя измерения в масштабах от нанометров до миллиметров, прибор может помочь исследователям сосредоточиться на атомном происхождении нескольких необычных свойств материалов, которые могут оказаться бесценными для нового поколения компьютеров и устройств связи. Эти свойства включают в себя поток электрического тока без сопротивления, квантовые скачки электрического сопротивления, которые могут служить новыми электрическими переключателями, и новые методы разработки квантовых битов, которые могут привести к созданию твердотельных квантовых компьютеров..
"Соединяя атомарность с большим масштабом, мы можем охарактеризовать материалы так, как не могли раньше", - сказал Строшио.
Хотя свойства всех веществ уходят своими корнями в квантовую механику - физические законы, управляющие лилипутским царством атомов и электронов - квантовые эффекты часто можно игнорировать в больших масштабах, таких как макроскопический мир, с которым мы сталкиваемся каждый день. Но для многообещающего класса материалов, известных как квантовые материалы, которые обычно состоят из одного или нескольких атомарно тонких слоев, сильные квантовые эффекты между группами электронов сохраняются на больших расстояниях, и правила квантовой теории могут доминировать даже на макроскопических масштабах. Эти эффекты приводят к замечательным свойствам, которые можно использовать для новых технологий.
Чтобы более точно изучить эти свойства, Строшио и его коллеги объединили в одном приборе три прецизионных измерительных прибора. Два прибора, атомно-силовой микроскоп (АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), изучают микроскопические свойства твердых тел, а третий прибор регистрирует макроскопические свойства магнитного транспорта - протекание тока в присутствии магнитного поля..
«Ни один тип измерения не дает ответов на все вопросы, необходимые для понимания квантовых материалов», - сказал исследователь NIST Николай Житенев. «Это устройство с несколькими измерительными инструментами дает более полное представление об этих материалах».
Для создания прибора команда NIST разработала АСМ и устройство для измерения магнитного транспорта, которые были более компактными и имели меньше движущихся частей, чем предыдущие версии. Затем они интегрировали инструменты с существующим STM.
И СТМ, и АСМ используют острый как иглу наконечник для исследования структуры поверхностей на атомном уровне. СТМ отображает топографию металлических поверхностей, помещая наконечник на долю нанометра (миллиардной доли метра) исследуемого материала. Измеряя поток электронов, которые туннелируют из поверхности металла, когда острый наконечник парит прямо над материалом, СТМ выявляет холмы и долины атомного масштаба..
Напротив, АСМ измеряет силы по изменению частоты, с которой колеблется его наконечник, когда он зависает над поверхностью. (Наконечник установлен на миниатюрной консоли, что позволяет зонду свободно вращаться.) Частота колебаний изменяется по мере того, как острый зонд воспринимает силы, такие как притяжение между молекулами или электростатические силы с поверхностью материала. Для измерения магнитного переноса через поверхность, погруженную в известное магнитное поле, пропускают ток. Вольтметр регистрирует напряжение в разных местах устройства, определяя электрическое сопротивление материала.
Ансамбль установлен внутри криостата, устройства, которое охлаждает систему до одной сотой градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре случайный квантовый джиттер атомных частиц сводится к минимуму, а крупномасштабные квантовые эффекты становятся более выраженными и их легче измерить. Устройство «три в одном», защищенное от внешних электрических помех, также в пять-десять раз более чувствительно, чем любой предыдущий набор подобных инструментов, приближаясь к пределу фундаментального квантового шума, который может быть достигнут при низких температурах.
Несмотря на то, что три полностью независимых прибора - СТМ, АСМ и установка магнитного транспорта - могут проводить одни и те же измерения, ввод и последующее извлечение каждого прибора может нарушить образец и снизить точность анализа. Отдельные инструменты также могут затруднить воспроизведение точных условий, таких как температура и угол поворота между каждым ультратонким слоем квантового материала, при которых проводились предыдущие измерения.
Чтобы получить прибор «три в одном» с высокой чувствительностью, команда NIST сотрудничала с международной группой экспертов, в том числе с Францем Гиссиблом из Университета Регенсбурга, Германия, который изобрел высокоэффективный АСМ, известный как АСМ qPlus. Команда выбрала компактную конструкцию, которая увеличила жесткость микроскопа, и оснастила систему рядом фильтров для фильтрации радиочастотного шума. Атомарно тонкая игла СТМ использовалась как датчик силы для АСМ, который был основан на новой конструкции датчика силы, созданной Giessibl для прибора «три в одном».
Для Stroscio, пионера в создании все более сложных СТМ, новое устройство является чем-то вроде вершины более чем трехдесятилетней карьеры в сканирующей зондовой микроскопии. Он отметил, что его команда в течение нескольких лет боролась за то, чтобы значительно уменьшить электрические шумы в своих измерениях. «Теперь мы достигли максимального разрешения, обеспечиваемого тепловыми и квантовыми пределами, в этом новом приборе», - сказал Строшио.
"Это похоже на то, что я поднялся на самую высокую вершину Скалистых гор", добавил он. «Это хороший синтез всего, чему я научился за последние 30 с лишним лет».