掃描隧道顯微鏡以原子精度捕獲材料圖像，可用于操縱單個分子或原子。多年來，研究人員一直在使用這些儀器來探索納米現(xiàn)象的世界。Forschungszentrum Jülich 的物理學(xué)家的一種新方法現(xiàn)在正在為使用這些設(shè)備研究量子效應(yīng)創(chuàng)造新的可能性。由于磁冷卻，他們的掃描隧道顯微鏡無需任何移動部件即可工作，并且在低至 30 毫開爾文的極低溫度下幾乎無振動。該儀器可以幫助研究人員解鎖量子材料的特殊特性，這對量子計算機和傳感器的發(fā)展至關(guān)重要。
物理學(xué)家認為絕對零附近的溫度范圍是一個特別令人興奮的研究領(lǐng)域。熱波動降至最低。量子物理定律開始發(fā)揮作用，揭示材料的特殊性質(zhì)。然后電流自由流動，沒有任何阻力。另一個例子是一種稱為超流動的現(xiàn)象：單個原子融合成一個集體狀態(tài)，并在沒有摩擦的情況下相互移動。
研究和利用量子效應(yīng)進行量子計算也需要這些極低的溫度。全世界以及 Forschungszentrum Jülich 的研究人員目前正在全速追求這一目標(biāo)。在某些任務(wù)上，量子計算機可能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的超級計算機。然而，發(fā)展仍處于起步階段。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是尋找材料和工藝，使具有穩(wěn)定量子位的復(fù)雜架構(gòu)成為可能。
“我相信像我們這樣的多功能顯微鏡是完成這項迷人任務(wù)的首選工具，因為它能夠以多種不同方式在單個原子和分子的水平上對物質(zhì)進行可視化和操作，”來自 Forschungszentrum Jülich 的 Ruslan Temirov 解釋說。
經(jīng)過多年的工作，他和他的團隊為此配備了帶有磁冷卻的掃描隧道顯微鏡。“我們的新顯微鏡與所有其他顯微鏡的不同之處類似于電動汽車與內(nèi)燃機汽車的不同之處，”Jülich 物理學(xué)家解釋說。到目前為止，研究人員一直依靠一種液體燃料，即兩種氦同位素的混合物，將顯微鏡帶到如此低的溫度。“在運行過程中，這種冷卻混合物通過細管不斷循環(huán)，從而導(dǎo)致背景噪音增加，”Temirov 說。
另一方面，Jülich 顯微鏡的冷卻裝置基于絕熱退磁過程。這個原則并不新鮮。它在 1930 年代首次用于在實驗室中達到低于 1 開爾文的溫度。Ruslan Temirov 說，對于顯微鏡的操作，它有幾個優(yōu)點：“通過這種方法，我們可以通過改變通過電磁線圈的電流強度來冷卻我們的新顯微鏡。因此，我們的顯微鏡沒有移動部件，幾乎沒有振動。”
Jülich 科學(xué)家是有史以來第一個使用這種技術(shù)構(gòu)建掃描隧道顯微鏡的人。“新的冷卻技術(shù)有幾個實際優(yōu)勢。它不僅提高了成像質(zhì)量，而且簡化了整個儀器的操作和整個設(shè)置，”研究所所長 Stefan Tautz 說。他補充說，由于采用模塊化設(shè)計，Jülich 量子顯微鏡也對技術(shù)進步保持開放態(tài)度，因為可以輕松實施升級。
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