Het beeldt enkele atomen af. Het brengt heuvels en valleien op atomaire schaal in kaart op metalen en isolerende oppervlakken. En het registreert de stroom van stroom door atoomdunne materialen die onderhevig zijn aan gigantische magnetische velden. Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuw instrument ontwikkeld dat tegelijkertijd drie soorten metingen op atoomschaal kan uitvoeren. Samen, deze metingen kunnen nieuwe kennis aan het licht brengen over een breed scala aan speciale materialen die cruciaal zijn voor de ontwikkeling van de volgende generatie kwantumcomputers, communicatie en tal van andere toepassingen.

Van smartphones tot multicookers, apparaten die verschillende functies uitvoeren, zijn vaak handiger en mogelijk goedkoper dan de hulpmiddelen voor één doel die ze vervangen, en hun meerdere functies werken vaak beter samen dan afzonderlijk. Het nieuwe drie-in-één instrument is een soort Zwitsers zakmes voor metingen op atoomschaal. NIST-onderzoeker Joseph Stroscio en zijn collega's, waaronder Johannes Schwenk en Sungmin Kim, presenteer een gedetailleerd recept voor het bouwen van het apparaat in de Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten .

"We beschrijven een blauwdruk die andere mensen kunnen kopiëren, "Zei Stroscio. "Ze kunnen de instrumenten die ze hebben aanpassen; ze hoeven geen nieuwe apparatuur te kopen."

Door gelijktijdig metingen te doen op schalen van nanometers tot millimeters, het instrument kan onderzoekers helpen de atomaire oorsprong te achterhalen van verschillende ongebruikelijke eigenschappen in materialen die van onschatbare waarde kunnen zijn voor een nieuwe generatie computers en communicatieapparatuur. Deze eigenschappen omvatten de weerstandsloze stroom van elektrische stroom, kwantumsprongen in elektrische weerstand die zouden kunnen dienen als nieuwe elektrische schakelaars, en nieuwe methoden om kwantumbits te ontwerpen, wat zou kunnen leiden tot op solid-state gebaseerde kwantumcomputers.

"Door het atomaire met de grote schaal te verbinden, we kunnen materialen karakteriseren op een manier die we voorheen niet konden, ' zei Stroscio.

Hoewel de eigenschappen van alle stoffen hun oorsprong hebben in de kwantummechanica - de natuurkundige wetten die het Lilliputiaanse rijk van atomen en elektronen beheersen - kunnen kwantumeffecten vaak worden genegeerd op grote schaal, zoals de macroscopische wereld die we elke dag ervaren. Maar voor een veelbelovende klasse van materialen die bekend staat als kwantummaterialen, die typisch bestaan ​​uit een of meer atomair dunne lagen, sterke kwantumeffecten tussen groepen elektronen blijven bestaan ​​over grote afstanden en de regels van de kwantumtheorie kunnen zelfs op macroscopische lengteschalen domineren. Deze effecten leiden tot opmerkelijke eigenschappen die kunnen worden benut voor nieuwe technologieën.

Om deze eigenschappen nauwkeuriger te bestuderen, Stroscio en zijn collega's combineerden in één instrument een drietal precisiemeetinstrumenten. Twee van de apparaten, een atomic force microscoop (AFM) en een scanning tunneling microscoop (STM), microscopische eigenschappen van vaste stoffen onderzoeken, terwijl het derde hulpmiddel de macroscopische eigenschap van magnetisch transport registreert - de stroomstroom in de aanwezigheid van een magnetisch veld.

"Geen enkel type meting biedt alle antwoorden voor het begrijpen van kwantummaterialen, " zei NIST-onderzoeker Nikolai Zhitenev. "Dit apparaat, met meerdere meetinstrumenten, geeft een uitgebreider beeld van deze materialen."

Om het instrument te bouwen, het NIST-team ontwierp een AFM en een magnetisch transportmeetapparaat die compacter waren en minder bewegende delen hadden dan eerdere versies. Vervolgens integreerden ze de tools met een bestaande STM.

Zowel een STM als een AFM gebruiken een naaldscherpe punt om de atomaire structuur van oppervlakken te onderzoeken. Een STM brengt de topografie van metalen oppervlakken in kaart door de punt binnen een fractie van een nanometer (miljardste van een meter) van het onderzochte materiaal te plaatsen. Door de stroom van elektronen te meten die uit het metalen oppervlak tunnelt terwijl de scherpe punt net boven het materiaal zweeft, de STM onthult de heuvels en valleien op atomaire schaal van het monster.

In tegenstelling tot, een AFM meet krachten door veranderingen in de frequentie waarmee de punt oscilleert terwijl deze over een oppervlak zweeft. (De punt is gemonteerd op een miniatuur cantilever, waardoor de sonde vrij kan zwaaien.) De oscillatiefrequentie verschuift als de scherpe sonde krachten waarneemt, zoals de aantrekkingskracht tussen moleculen, of de elektrostatische krachten met het materiaaloppervlak. Om magnetisch transport te meten, een stroom wordt aangelegd over een oppervlak dat is ondergedompeld in een bekend magnetisch veld. Een voltmeter registreert de spanning op verschillende plaatsen op het apparaat, het onthullen van de elektrische weerstand van het materiaal.

Het ensemble is gemonteerd in een cryostaat, een apparaat dat het systeem afkoelt tot een honderdste graad boven het absolute nulpunt. Bij die temperatuur, de willekeurige kwantumjitter van atomaire deeltjes wordt geminimaliseerd en grootschalige kwantumeffecten worden duidelijker en gemakkelijker te meten. Het drie-in-een apparaat, die is afgeschermd van externe elektrische ruis, is ook vijf tot tien keer gevoeliger dan alle eerdere vergelijkbare instrumenten, nadert de fundamentele kwantumruislimiet die kan worden bereikt bij lage temperaturen.

Hoewel het mogelijk is voor drie volledig onafhankelijke instrumenten - een STM, een AFM en een magnetische transportopstelling - om dezelfde metingen te doen, het inbrengen en vervolgens terugtrekken van elk gereedschap kan het monster verstoren en de nauwkeurigheid van de analyse verminderen. Afzonderlijke instrumenten kunnen het ook moeilijk maken om de exacte omstandigheden te repliceren, zoals de temperatuur en rotatiehoek tussen elke ultradunne laag van het kwantummateriaal, waaronder eerdere metingen zijn gedaan.

Om het doel van een drie-in-een instrument met hoge gevoeligheid te bereiken, het NIST-team werkte samen met een internationaal team van experts, waaronder Franz Giessibl van de Universiteit van Regensburg, Duitsland, die een zeer effectieve AFM heeft uitgevonden, de qPlus AFM. Het team koos voor een compact ontwerp dat de stijfheid van de microscoop verhoogde en voorzag het systeem van een reeks filters om radiofrequentieruis weg te filteren. De atomair dunne naald van de STM deed ook dienst als krachtsensor voor de AFM, die was gebaseerd op een nieuw krachtsensorontwerp gemaakt door Giessibl voor het drie-in-één instrument.

Voor Stroscio, een pionier in het bouwen van steeds geavanceerdere STM's, het nieuwe apparaat is iets van een hoogtepunt in een carrière van meer dan drie decennia in scanning-sondemicroscopie. Zijn team, hij merkte, worstelde al enkele jaren om de elektrische ruis in zijn metingen drastisch te verminderen. "We hebben nu de ultieme resolutie bereikt die wordt gegeven door thermische en kwantumlimieten in dit nieuwe instrument, ' zei Stroscio.

"Dit voelt alsof ik de hoogste top van de Rocky Mountains heb beklommen, " voegde hij eraan toe. "Het is een mooie synthese van alles wat ik de afgelopen 30 jaar heb geleerd."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.