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物理学家开发了一种独特的扫描隧道显微镜来研究量子效应

导读扫描隧道显微镜以原子精度捕获材料图像,可用于操纵单个分子或原子。多年来,研究人员一直在使用这些仪器来探索纳米现象的世界。Forschungs

扫描隧道显微镜以原子精度捕获材料图像,可用于操纵单个分子或原子。多年来,研究人员一直在使用这些仪器来探索纳米现象的世界。Forschungszentrum Jülich 的物理学家的一种新方法现在正在为使用这些设备研究量子效应创造新的可能性。由于磁冷却,他们的扫描隧道显微镜无需任何移动部件即可工作,并且在低至 30 毫开尔文的极低温度下几乎无振动。该仪器可以帮助研究人员解锁量子材料的特殊特性,这对量子计算机和传感器的发展至关重要。

物理学家认为绝对零附近的温度范围是一个特别令人兴奋的研究领域。热波动降至最低。量子物理定律开始发挥作用,揭示材料的特殊性质。然后电流自由流动,没有任何阻力。另一个例子是一种称为超流动的现象:单个原子融合成一个集体状态,并在没有摩擦的情况下相互移动。

研究和利用量子效应进行量子计算也需要这些极低的温度。全世界以及 Forschungszentrum Jülich 的研究人员目前正在全速追求这一目标。在某些任务上,量子计算机可能远远优于传统的超级计算机。然而,发展仍处于起步阶段。一个关键的挑战是寻找材料和工艺,使具有稳定量子位的复杂架构成为可能。

“我相信像我们这样的多功能显微镜是完成这项迷人任务的首选工具,因为它能够以多种不同方式在单个原子和分子的水平上对物质进行可视化和操作,”来自 Forschungszentrum Jülich 的 Ruslan Temirov 解释说。

经过多年的工作,他和他的团队为此配备了带有磁冷却的扫描隧道显微镜。“我们的新显微镜与所有其他显微镜的不同之处类似于电动汽车与内燃机汽车的不同之处,”Jülich 物理学家解释说。到目前为止,研究人员一直依靠一种液体燃料,即两种氦同位素的混合物,将显微镜带到如此低的温度。“在运行过程中,这种冷却混合物通过细管不断循环,从而导致背景噪音增加,”Temirov 说。

另一方面,Jülich 显微镜的冷却装置基于绝热退磁过程。这个原则并不新鲜。它在 1930 年代首次用于在实验室中达到低于 1 开尔文的温度。Ruslan Temirov 说,对于显微镜的操作,它有几个优点:“通过这种方法,我们可以通过改变通过电磁线圈的电流强度来冷却我们的新显微镜。因此,我们的显微镜没有移动部件,几乎没有振动。”

Jülich 科学家是有史以来第一个使用这种技术构建扫描隧道显微镜的人。“新的冷却技术有几个实际优势。它不仅提高了成像质量,而且简化了整个仪器的操作和整个设置,”研究所所长 Stefan Tautz 说。他补充说,由于采用模块化设计,Jülich 量子显微镜也对技术进步保持开放态度,因为可以轻松实施升级。

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