NIST公布了构建三位一体测量工具研究量子材料的蓝图。
它成像单个原子。它在金属和绝缘表面绘制原子尺度的山丘和山谷。它记录了在巨大磁场作用下穿过原子薄材料的电流。美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家开发了一种新型仪器，可以同时进行三种原子尺度的测量。总之，这些测量可以揭示一系列特殊材料的新知识，这些材料对开发下一代量子计算机、通信和许多其他应用至关重要。从智能手机到多用途炊具，具有多种功能的设备往往比它们所取代的单一用途工具更方便，也可能更便宜，而且它们的多种功能一起使用往往比单独使用更好。新型三位一体仪器是原子尺度测量的瑞士军刀。NIST研究员Joseph Stroscio和他的同事，包括Johannes Schwenk和sung - min Kim，在《科学仪器评论》上介绍了制造该装置的详细配方。
来源:国家标准
Stroscio说:“我们描绘了一个蓝图，让其他人来复制。”“他们可以修改现有的乐器;他们不需要购买新设备。”
通过同时进行从纳米到毫米尺度的测量，该仪器可以帮助研究人员锁定材料中几种不同寻常特性的原子起源，这些特性可能被证明对新一代计算机和通信设备来说是无价的。这些特性包括电流的无电阻流动，电阻中的量子跳跃可以作为新的电子开关，以及设计量子比特的新方法，这可能导致基于固态的量子计算机。
Stroscio说:“通过将原子与大尺度联系起来，我们可以以一种我们以前无法做到的方式来表征材料。”
尽管所有物质的性质都植根于量子力学——支配原子和电子的利力浦特王国的物理定律——但在我们每天所经历的宏观世界这样的大尺度上，量子效应常常被忽略。但对于一种被称为量子材料的极具前景的材料，这种材料通常由一个或多个原子薄层组成，电子群之间的强量子效应在大距离上持续存在，量子理论的规则甚至可以在宏观长度尺度上主导。这些影响导致了可以用于新技术的显著特性。
为了更精确地研究这些性质，Stroscio和他的同事将三个精密测量设备组合在一个仪器中。其中两个设备，原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)，检查固体的微观性质，而第三个工具记录磁性传输的宏观性质——磁场存在下的电流流动。
“没有一种测量方法能提供理解量子材料的所有答案，”NIST研究员尼古拉·日特涅夫(Nikolai Zhitenev)说。“该设备具有多种测量工具，提供了这些材料的更全面的图像。”
为了制造这种仪器，NIST团队设计了一个原子力显微镜和一个磁传输测量装置，它们比以前的版本更紧凑，运动部件更少。然后，他们将这些工具与现有的STM集成。
STM和AFM都使用针尖来检测表面的原子尺度结构。STM通过将尖端放置在研究材料的几分之一纳米(十亿分之一米)范围内来绘制金属表面的形貌。当尖端悬停在材料上方时，通过测量从金属表面隧穿出来的电子流，STM揭示了样品的原子尺度的山和谷。
相比之下，AFM通过其尖端在一个表面上悬停时振动频率的变化来测量力。(尖端安装在一个微型悬臂上，这使得探针可以自由摆动。)当尖锐的探针感知力，如分子间的吸引力，或材料表面的静电力时，振荡频率会发生变化。为了测量磁传输，在浸没在已知磁场中的表面施加电流。电压表记录设备上不同地方的电压，显示材料的电阻。
这套系统安装在低温恒温器内，低温恒温器是一种可以将系统冷却到绝对零度以上百分之一度的装置。在这个温度下，原子粒子的随机量子抖动被最小化，大规模量子效应变得更加明显和更容易测量。这种三位一体的设备屏蔽了外部的电子噪声，而且比以往任何一套类似的仪器都要灵敏5到10倍，接近在低温下可以达到的基本量子噪声极限。
虽然有可能使用三个完全独立的仪器——STM、AFM和磁传输装置——进行相同的测量，但插入和收回每个工具都会干扰样品，降低分析的准确性。单独的仪器也很难复制精确的条件，比如温度和每个超薄量子材料层之间的旋转角度，而之前的测量是在这些超薄层下进行的。
为了实现具有高灵敏度的三化一体仪器的目标，NIST团队与一个国际专家团队合作，包括来自德国雷根斯堡大学的Franz Giessibl，他发明了一种高效的AFM，称为qPlus AFM。该团队选择了一种紧凑的设计，增加了显微镜的刚度，并为系统配备了一系列过滤器，以筛选射频噪声。STM的原子细针同时充当AFM的力传感器，这是基于Giessibl为三合一仪器设计的一种新的力传感器。
Stroscio是制造越来越复杂的STMs的先驱，对于他来说，这种新设备是扫描探针显微镜30多年的职业生涯中的一个顶峰。他指出，他的团队几年来一直在努力减少测量中的电噪声。Stroscio说:“我们现在已经在这个新仪器中实现了热和量子极限给出的最终分辨率。”
“这感觉就像我爬上了落基山脉的最高峰，”他补充说。“它很好地综合了我过去30多年学到的一切。”
参考文献:《在操作中扫描隧道显微镜、原子力显微镜和磁传输系统中实现μeV隧道分辨率用于量子材料研究》，作者:Johannes Schwenk、Sungmin Kim、Julian Berwanger、Fereshte Ghahari、Daniel Walkup、Marlou R. Slot、Son T. Le、William G. Cullen、Steven R. Blankenship、Sasa Vranjkovic、Hans J. Hug、Young Kuk、Franz J. Giessibl和Joseph A. Stroscio, 2020年7月6日，《科学仪器评论》。DOI: 10.1063/5.0005320
