Это изображения одиночных атомов. Это карты атомарного холмами и долинами на металлических и изоляционных поверхностей. И он записывает ток через атом-тонких материалов, подлежащих гигантских магнитных полей. Ученые в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) разработали новый инструмент, который может сделать три вида атом-шкала измерений одновременно. Вместе, эти измерения могут раскрыть новые знания о широком ассортименте специальных материалов, которые имеют решающее значение для разработки следующего поколения квантовых компьютеров, коммуникаций и множество других приложений.
От смартфонов до мультиварки, приборы, выполняющие несколько функций, часто являются более удобным и потенциально дешевле, чем специализированные инструменты, которые они заменяют, и их функции часто лучше работать совместно, чем отдельно. Новый три-в-одном инструмент-это своеобразный швейцарский нож для измерений атом-масштаб. Исследователь НИСТ Джозеф Stroscio и его коллеги, в том числе Йоханнес Швенк Sungmin и Ким, представить подробный рецепт для создания устройства в обзоре научных приборов.
«Мы рассмотрим проект для других людей, чтобы скопировать», — сказал Stroscio. «Они могут изменить документы у них, они не придется покупать новое оборудование.»
При одновременном проведении измерений по шкалам в диапазоне от нанометров до миллиметров, прибор может помочь исследователям сосредоточиться на атомном происхождении некоторых необычных свойств в материалах, которые могут оказаться бесценными для нового поколения компьютеров и средств связи. К этим свойствам относятся сопротивление-меньше поток электрического тока, квантовых скачков электрического сопротивления, которые могли бы послужить Роман электрические выключатели, а также о новых методах проектирования квантовых битов, которые могут привести к твердотельной основе квантовых компьютеров.
«Путем соединять атомные с большим размахом, мы можем охарактеризовать материалов таким образом, что мы не могли раньше», — сказал Stroscio.
Хотя свойства все вещества имеют свои корни в квантовой механике — физические законы, которые управляют Лилипут мир атомов и электронов — квантовые эффекты часто могут быть проигнорированы на больших масштабах, таких как макроскопический мир, который мы переживаем каждый день. Но очень перспективный класс материалов, известных как квантовые материалы, которые обычно состоят из одного или более атомарно тонких слоев, сильных квантовых эффектов между группами электронов сохраняется на больших расстояниях и правила квантовой теории может доминировать даже на макроскопических масштабах длин. Эти эффекты приводят к замечательным свойствам, которые могут быть использованы для новых технологий.
Для изучения этих свойств, точнее, Stroscio и его коллеги объединяются в единый документ трио точности измерительных приборов. Два устройства, атомно-силового микроскопа (АСМ) и сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), изучить микроскопические свойства твердых тел, в то время как третий инструмент записывает макроскопическое свойство магнитного транспорт — протекание тока в присутствии магнитного поля.
«Ни один тип измерений дает ответы на все вопросы для понимания квантовой материалов», — сказал научный сотрудник НИСТ Николай Житенев. «Это устройство, с несколькими измерительными инструментами, обеспечивает более полную картину этих материалов».
Чтобы построить инструмент, группа из NIST разработали АСМ и магнитно-транспорт-измерительные устройства, которые более компактны и имеют меньше движущихся частей, чем в предыдущих версиях. Затем они интегрированы инструменты с существующими СТМ.
Как STM и использовать АСМ игла-острый наконечник для изучения атомарного строения поверхности. В СТМ карты топографии поверхности металлов, поместив кончик в пределах долей нанометра (миллиардной части метра) изучаемого материала. Путем измерения потока электронов, что туннели из металлической поверхности, как острый кончик парит над материалом, СТМ показывает образца атомного масштаба холмы и долины.
В отличие от АСМ меры сил от изменения частоты, при котором его кончик вибрирует, как он парит над поверхностью. (Наконечник смонтирован на миниатюрной консоли, которая позволяет зонда свободно качаться.) Сдвигов частот колебаний, как и острый зонд силы чувств, таких как притяжение между молекулами, и силы электростатического взаимодействия с материалом поверхности. Для измерения магнитного транспорта, а тока по поверхности погруженного в известном магнитном поле. Вольтметр регистрирует напряжение в разных точках устройства, раскрывающие электрического сопротивления материала.
Ансамбль монтируется внутри криостата, устройство, которое охлаждает систему до одной сотой градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре, случайные квантовые дрожания атомных частиц сведено к минимуму и крупномасштабные квантовые эффекты становятся более выраженными и легче измерить. Три-в-одном устройстве, которая экранирована от воздействия внешних электрических помех, также от пяти до 10 раз более чувствительны, чем любой предыдущий набор схожих инструментов, приближается фундаментальный квантовый предел шума, который может быть достигнут при низких температурах.
Хотя это возможно для трех полностью независимых инструментов-это СТМ, АСМ и магнитные транспортные установки … чтобы сделать те же измерения, вставка и затем втягивая каждый инструмент может беспокоить образца и снижают точность анализа. Отдельных документов может также сделать его трудно воспроизвести точные условия, такие как температура и угол поворота между каждым слоем ультратонких квантовых материал, в соответствии с которым предыдущие измерения были сделаны.
Для достижения цели три-в-один инструмент с высокой чувствительностью, НИСТ команда в партнерстве с международной группой экспертов, в том числе Франц Giessibl из Университета Регенсбурга, Германия, который изобрел очень эффективную АСМ известен как qPlus АСМ. Команда выбрала компактную конструкцию, что повысило жесткость микроскоп и оснащен системой с серией фильтров радиопомех. Атомарно тонкой иглой СТМ вдвое как датчик силы для АСМ, который был основан на новой силой конструкцию датчика, созданные Giessibl за три прибора в одном.
Для Stroscio, пионером в создании все более изощренных Стмс, новое устройство является чем-то вроде апогея в более чем три десятилетия карьеры в сканирующей зондовой микроскопии. Его команда, он отметил, что боролся в течение нескольких лет существенно снизить электрические помехи в измерения. «Мы сейчас достигли конечной резолюции, приведенный на тепловые и квантовые пределы этого нового инструмента», — сказал Stroscio.
«Это такое чувство, будто я взобрался на самый высокий пик в Скалистых горах», — добавил он. «Это хороший синтез всего, что я узнал за последние 30 с лишним лет».
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!