作者:本·普
斯坦，国家标准与技术研究所 顶部:扫描探针模块内的样本照片，显示了包含待研究样本的板的八个电触点
在中心可以看到探针尖端及其在样品中的反射
底部:铝样品的原子力图像，显示在0
01开尔文(-459
65华氏度)
红色曲线表示铝膜在零电压电流下是超导的
信用:NIST 它描绘了单个原子
它绘制了金属和绝缘表面上原子级的山丘和山谷
它记录了在巨大磁场作用下穿过原子一样薄的材料的电流
美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家开发出一种新型仪器，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，这些材料对于开发下一代量子计算机、通信和许多其他应用至关重要
从智能手机到多通话器，执行多种功能的设备通常比它们所取代的单一用途工具更方便，潜在成本也更低，而且它们的多种功能协同工作通常比单独工作更好
新的三合一仪器是一种用于原子尺度测量的瑞士军刀
NIST研究员约瑟夫·施特罗西奥和他的同事，包括约翰尼斯·施温克和金成民，在《科学仪器评论》上展示了制造这种装置的详细配方
“我们描述了一个蓝图，供其他人复制，”施特罗西奥说
“他们可以修改他们拥有的仪器；他们不必购买新设备
" 通过同时进行从纳米到毫米范围内的测量，该仪器可以帮助研究人员专注于材料中几种不寻常特性的原子起源，这些特性对于新一代计算机和通信设备来说可能是无价的
这些特性包括电流的无电阻流动，电阻的量子跳跃，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
“通过把原子和大尺度联系起来，我们可以用一种我们以前不能用的方式来描述物质，”斯特罗西奥说
尽管所有物质的性质都源于量子力学——支配着原子和电子的小人国的物理定律——但在大尺度上，比如我们每天经历的宏观世界，量子效应往往可以被忽略
但是对于一种非常有前途的材料，称为量子材料，它通常由一层或多层原子薄层组成，电子群之间的强量子效应持续很长时间，量子理论的规则甚至可以在宏观长度尺度上占主导地位
这些效应导致了可用于新技术的显著特性
为了更精确地研究这些特性，斯特罗西奥和他的同事在一台仪器中结合了三种精密测量设备
其中的两个设备，原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)，检查固体的微观特性，而第三个工具记录磁性传输的宏观特性——磁场中的电流
“没有一种单一的测量方法能为理解量子材料提供所有的答案，”NIST研究人员尼古拉·日特内夫说
“这种装置配有多种测量工具，可以更全面地描述这些材料
" 为了制造这种仪器，NIST团队设计了一种原子力显微镜和一种磁输运测量装置，这种装置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扫描隧道显微镜集成在一起
扫描隧道显微镜和原子力显微镜都使用针尖来检查表面的原子尺度结构
扫描隧道显微镜通过将尖端放置在被研究材料的几分之一纳米(十亿分之一米)内来绘制金属表面的形貌
通过测量尖端悬停在材料上方时从金属表面隧穿的电子流，扫描隧道显微镜揭示了样品的原子级山丘和山谷
相比之下，原子力显微镜测量力的方法是，当它悬浮在一个表面上时，其尖端振荡频率的变化
(尖端安装在微型悬臂上，使探针可以自由摆动
)当尖锐的探针感应到力时，例如分子之间的吸引力或材料表面的静电力，振荡频率会发生变化
为了测量磁输运，在浸入已知磁场的表面上施加电流
电压表记录设备上不同位置的电压，显示材料的电阻
该组件安装在低温恒温器内，低温恒温器是一种将系统冷却到绝对零度以上百分之一度的装置
在该温度下，原子粒子的随机量子抖动被最小化，并且大规模量子效应变得更加显著和更容易测量
这种三合一设备不受外部电子噪声的影响，其灵敏度也是以前同类仪器的5到10倍，接近低温下可以达到的基本量子噪声极限
虽然三个完全独立的仪器——扫描隧道显微镜、原子力显微镜和磁传输装置——可以进行相同的测量，但插入和缩回每个工具会干扰样品并降低分析的准确性
单独的仪器也很难复制精确的条件，例如量子材料的每一个超薄层之间的温度和旋转角度，以前的测量都是在这种条件下进行的
为了实现高灵敏度三合一仪器的目标，NIST团队与一个国际专家团队合作，其中包括来自德国雷根斯堡大学的弗朗茨·吉西布尔，他发明了一种高效原子力显微镜，即qPlus原子力显微镜
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来过滤射频噪声
扫描隧道显微镜的原子级细针兼作原子力显微镜的力传感器，这是基于吉西布尔为三合一仪器设计的新力传感器
对于Stroscio来说，他是制造越来越复杂的扫描隧道显微镜的先驱，这种新设备是三十多年扫描探针显微镜事业的顶峰
他指出，他的团队几年来一直在努力大幅降低测量中的电气噪声
“在这个新仪器中，我们现在已经达到了热极限和量子极限给出的最终分辨率，”施特罗西奥说
“这感觉就像我爬上了落基山脉的最高峰，”他补充道
“这是我过去30多年来所学的一切的一个很好的综合
"
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