Az atom „svájci kés” pontosan megméri az anyagokat a kvantum számítógépekhez

Terv a három az egyben mérési eszköz felépítéséhez a kvantumanyagok tanulmányozásához

Egyetlen atomot ábrázol. Atomi méretű dombokat és völgyeket térképez fel fém és szigetelő felületeken. És rögzíti az áram áramlását az atomvékony anyagok között, amelyek óriási mágneses tereknek vannak kitéve. A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) tudósai kifejlesztettek egy új eszközt, amely egyszerre háromféle atomméretű mérést képes elvégezni. Ezek a mérések együttesen új ismereteket tárhatnak fel a speciális anyagok széles skálájáról, amelyek kulcsfontosságúak a következő kvantumszámítógépek, kommunikáció és számos más alkalmazás fejlesztéséhez.

atomic

Az okostelefonoktól kezdve a multicookerekig a több funkciót ellátó eszközök gyakran kényelmesebbek és potenciálisan olcsóbbak, mint az általuk kicserélt egycélú eszközök, és több funkciójuk gyakran jobban működik együtt, mint külön. Az új három az egyben eszköz egyfajta svájci kés az atom léptékű mérésekhez. Joseph Stroscio, a NIST kutatója és munkatársai, köztük Johannes Schwenk és Sungmin Kim, a készülék felépítésének részletes receptjét mutatják be a tudományos eszközök áttekintésében.

"Leírunk egy tervet, amelyet más emberek másolhatnak" - mondta Stroscio. "Módosíthatják a rendelkezésükre álló eszközöket; nem kell új felszerelést vásárolniuk."

Azáltal, hogy egyidejűleg nanométertől milliméterig terjedő skálán végez méréseket, a műszer segíthet a kutatóknak abban, hogy nullázzák az anyagok számos szokatlan tulajdonságának atom eredetét, amelyek felbecsülhetetlen értéket jelenthetnek a számítógépek és kommunikációs eszközök új generációja számára. Ezek a tulajdonságok magukban foglalják az elektromos áram ellenállás nélküli áramlását, az elektromos ellenállás kvantum ugrásait, amelyek új elektromos kapcsolóként szolgálhatnak, valamint új módszereket a kvantumbitek tervezésére, amelyek szilárdtestalapú kvantum számítógépekhez vezethetnek.

"Ha összekapcsoljuk az atomot a nagy léptékkel, úgy jellemezhetjük az anyagokat, ahogyan korábban nem tudtuk" - mondta Stroscio.

Bár minden anyag tulajdonságai a kvantummechanikában gyökereznek - az atomok és elektronok lilliputi birodalmát irányító fizikai törvényekben -, a kvantumhatásokat gyakran figyelmen kívül lehet hagyni olyan nagy léptékekben, mint például a naponta tapasztalt makroszkopikus világ. De egy nagyon ígéretes, kvantumanyagként ismert anyagosztály esetében, amelyek jellemzően egy vagy több atomi vékony rétegből állnak, az elektroncsoportok közötti erős kvantumhatások nagy távolságokon keresztül fennállnak, és a kvantumelmélet szabályai még a makroszkopikus hosszúsági skálákon is dominálhatnak. Ezek a hatások olyan figyelemre méltó tulajdonságokhoz vezetnek, amelyek kiaknázhatók az új technológiák számára.

Ezen tulajdonságok pontosabb tanulmányozása érdekében Stroscio és munkatársai egyetlen műszerben egyesítették a precíziós mérőeszközök trióját. Az eszközök közül kettő, egy atomerőmikroszkóp (AFM) és egy pásztázó alagútmikroszkóp (STM) a szilárd anyagok mikroszkopikus tulajdonságait vizsgálja, míg a harmadik eszköz a mágneses szállítás makroszkopikus tulajdonságait - az áram áramlását mágneses jelenlétében - rögzíti. terület.

"Egyetlen típusú mérés sem nyújt minden választ a kvantumanyagok megértéséhez" - mondta Nyikolaj Zsitnyev, a NIST kutatója. "Ez a készülék több mérőeszközzel átfogóbb képet nyújt ezekről az anyagokról."

A műszer elkészítéséhez a NIST csapata egy AFM-et és egy mágneses szállítás-mérő eszközt tervezett, amelyek kompaktabbak és kevesebb mozgó alkatrésszel rendelkeztek, mint a korábbi verziók. Ezután integrálták az eszközöket egy meglévő STM-mel.

Az STM és az AFM is tűéles hegygel vizsgálja a felületek atomi léptékű szerkezetét. Egy STM feltérképezi a fémfelületek domborzatát úgy, hogy a csúcsot a vizsgált anyag nanométerének töredékébe (méter milliárdod része) helyezi. Az STM azáltal, hogy megméri a fémfelületből alagutazó elektronok áramlását, amikor az éles csúcs közvetlenül az anyag felett lebeg, a minta atommértékű dombjait és völgyeit tárja fel.

Ezzel szemben az AFM az erőket annak a frekvenciának a változásával méri, amelynél a csúcsa rezeg, amikor lebeg egy felület felett. (A hegy egy miniatűr konzolra van felszerelve, amely lehetővé teszi a szonda szabad mozgását.) A rezgés frekvenciája eltolódik, amikor az éles szonda erőket érzékel, például a molekulák közötti vonzást vagy az anyag felületével az elektrosztatikus erőket. A mágneses transzport méréséhez áramot vezetünk át egy ismert mágneses mezőbe merített felületen. A voltmérő rögzíti a feszültséget a készülék különböző helyein, felfedve az anyag elektromos ellenállását.

Az együttes egy kriosztátba van felszerelve, egy olyan eszközbe, amely a rendszert az abszolút nulla százaléka fölé hűti. Ezen a hőmérsékleten az atomrészecskék véletlenszerű kvantumrázkódása minimálisra csökken, és a nagy léptékű kvantumhatások hangsúlyosabbá és könnyebben mérhetővé válnak. A külső elektromos zajtól védett három az egyben eszköz szintén ötször-tízszer érzékenyebb, mint bármely hasonló eszköz, és megközelíti az alacsony hőmérsékleten elérhető alapvető kvantum zajhatárt.

Habár három teljesen független eszköz - egy STM, egy AFM és egy mágneses szállítási beállítás - lehetséges ugyanazon mérések elvégzésére, az egyes eszközök behelyezése, majd visszahúzása megzavarhatja a mintát és csökkentheti az elemzés pontosságát. Külön készülékek megnehezíthetik a pontos körülmények, például a kvantumanyag ultravékony rétegei közötti hőmérséklet és forgási szög megismétlését, amelyek alapján korábbi méréseket végeztek.

A három az egyben nagy érzékenységű eszköz céljának elérése érdekében a NIST csapata egy nemzetközi szakértői csoporttal, többek között Franz Giessibl-rel a németországi Regensburgi Egyetemről állt össze, aki feltalálta a qPlus AFM néven ismert, rendkívül hatékony AFM-et. A csapat kompakt kialakítást választott, amely növelte a mikroszkóp merevségét, és a rendszert egy sor szűrővel látta el a rádiófrekvenciás zaj kiszűrésére. Az STM atomi vékony tűje az AFM erőérzékelőjeként működött, amely egy új erőérzékelő-tervezésen alapult, amelyet Giessibl készített a három az egyben eszközhöz.

Az egyre kifinomultabb STM-ek építésének úttörője, Stroscio számára az új eszköz a csúcspontja a több mint három évtizedes szkennelő mikroszkópos karriernek. Csapata, megjegyezte, évek óta küzdött azért, hogy méréseiben drámai módon csökkentse az elektromos zajt. "Most elértük a termikus és kvantumhatárok által adott végső felbontást ebben az új műszerben" - mondta Stroscio.

"Ez olyan érzés, mintha a Sziklás-hegység legmagasabb csúcsára másztam volna fel" - tette hozzá. "Ez egy szép szintézise mindannak, amit az elmúlt 30 év alatt tanultam."