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原子“瑞士军刀”精确测量量子计算机的先进材

更新时间:2020-07-13 20:55点击:

NIST为研究量子材料的三合一测量工具绘制了蓝图。

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。综合起来,这些测量可以发现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。

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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。

我们描绘出一幅蓝图,供别人模仿,Stroscio说。他们可以修改现有的仪器;他们不需要买新设备。

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。

通过把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描述材料。说Stroscio又是;

虽然所有物质的特性都植根于量子力学—支配小人国原子和电子领域的物理定律;量子效应在大尺度上常常被忽略,比如我们每天所经历的宏观世界。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。这些效应产生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),用于检测固体的微观特性,而第三种工具则记录磁性输运的宏观特性。在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Nikolai Zhitenev说。该装置带有多种测量工具,可以提供这些材料更全面的图像。

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进行集成。

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。当尖头在材料上方盘旋时,通过测量从金属表面窜出的电子流,STM揭示了样品原子规模的丘陵和山谷。

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(如分子间的吸引力或材料表面的静电力)时,振荡的频率就会改变。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。

尽管对于三个完全独立的仪器来说是可能的。STM、AFM和磁传输装置;为了进行相同的测量,插入然后缩回每个工具会干扰样品,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。在这台新仪器中,我们已经达到了热和量子极限所给出的最终分辨率。Stroscio说。,

这感觉就像我已经登上了落基山脉的最高峰,他补充说。它很好地综合了我在过去30多年里所学到的一切。

参考文献:在量子材料研究中的扫描隧道显微镜、原子力显微镜和磁输运系统中实现eV隧道分辨率作者: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,科学仪器回顾。

DOI: 10.1063/5.0005320