皮皮虾科普网

皮皮虾科普网
分享国内外科学知识
皮皮虾科普网-国内外科学-科技-科普

原子“瑞士军刀”精确测量量子计算机的材料

更新时间:2020-08-28 10:50点击:

它成像单个原子。它在金属和绝缘表面绘制出原子尺度的丘陵和山谷。它还记录了在巨大磁场作用下,通过原子薄材料的电流流动。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,这些测量可以揭示有关各种特殊材料的新知识,这些材料对开发下一代量子计算机、通信和许多其他应用程序至关重要。

从智能手机到多工具,能够执行多种功能的设备往往比它们取代的单一功能工具更方便,可能也更便宜,而且它们的多种功能协同使用往往比单独使用效果更好。这种新型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Joseph Stroscio和他的同事,包括Johannes Schwenk和Sungmin Kim,在《科学仪器评论》上展示了制造该设备的详细配方。

Stroscio说:“我们描绘了一幅蓝图,供其他人复制。”“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,这些特性对新一代计算机和通信设备来说可能是非常宝贵的。这些特性包括电流无电阻流动,电阻中的量子跃迁可以用作新型的电子开关,以及设计量子比特的新方法,这些新方法可能导致基于固态的量子计算机。

斯特罗西奥说:“通过将原子与大尺度联系起来,我们可以用一种以前无法用的方式来表征材料。”

尽管所有物质的特性都源于量子力学——控制着微小原子和电子领域的物理定律——但在大尺度上,比如我们每天经历的宏观世界,量子效应往往被忽视。但对于一种被称为量子材料的非常有前途的材料,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会在很长的距离内持续存在,量子理论的规则甚至可以在宏观的长度尺度上起主导作用。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,Stroscio和他的同事们将三个精密测量设备组合在一个仪器上。其中两种设备,原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM),用于检查固体的微观特性,而第三种工具则记录磁性输送的宏观特性——在磁场存在下的电流流动。

NIST的研究员Nikolai Zhitenev说:“没有一种测量方法可以为理解量子材料提供所有的答案。”“这个设备,有多种测量工具,提供了这些材料更全面的图片。”

为了制造这台仪器,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加紧凑,运动部件也更少。然后,他们将这些工具与现有的STM集成。

STM和AFM都使用尖尖的针尖来检查表面的原子尺度结构。STM通过将尖端放置在距离所研究材料不到一纳米(十亿分之一米)的位置来绘制金属表面的地形。当尖头悬浮在材料上方时,通过测量从金属表面冲出的电子流,STM揭示了样品原子尺度的丘陵和山谷。

相比之下,AFM则是通过悬浮在一个表面上时其尖端振动频率的变化来测量力。(探针的尖端安装在一个微型悬臂上,可以让探针自由摆动。)当敏锐的探针感受到各种力量,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。为了测量磁输运,在一个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。

整个系统安装在一个低温恒温器内,该设备可以将系统冷却到绝对零度以上的百分之一摄氏度。在这个温度下,原子粒子的随机量子抖动被降到最低,大尺度量子效应变得更加明显和容易测量。这种三合一的设备,不受外部电子噪音的干扰,也比以往任何一套类似仪器灵敏5到10倍,接近在低温下可以达到的基本量子噪音极限。

虽然三个完全独立的仪器——一个STM,一个AFM和一个磁传输装置——可以进行同样的测量,但是插入和收回每一个工具会干扰样本,降低分析的准确性。单独的仪器也会使复制精确的条件变得困难,例如温度和量子材料的每一超薄层之间的旋转角度,之前的测量就是在这些条件下进行的。

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,他发明了一种高效原子力显微镜,称为qPlus原子力显微镜。该团队选择了一种紧凑的设计,增加了显微镜的硬度,并在系统中安装了一系列过滤器来过滤无线电频率噪音。STM的原子细针兼作AFM的力传感器,这是基于Giessibl为三合一仪器设计的新的力传感器。

对于Stroscio来说,他是建立更加复杂的STMs的先驱,这个新设备是30多年来扫描探针显微镜事业的一个顶峰。他指出,他的团队几年来一直在努力大幅降低测量中的电噪声。Stroscio说:“我们现在已经在这台新仪器上达到了热和量子极限下的最终分辨率。”

“这感觉就像我已经登上了落基山脉的最高峰,”他补充道。“它很好地综合了我过去30多年所学到的一切。”

本文由NIST再版。在这里阅读原始的故事。