Scanning tunneling microscopen leggen beelden van materialen vast met atomaire precisie en kunnen worden gebruikt om individuele moleculen of atomen te manipuleren. Onderzoekers gebruiken de instrumenten al vele jaren om de wereld van nanoscopische verschijnselen te verkennen. Een nieuwe benadering door natuurkundigen van Forschungszentrum Jülich creëert nu nieuwe mogelijkheden om de apparaten te gebruiken om kwantumeffecten te bestuderen. Dankzij magnetische koeling, hun scanning tunneling microscoop werkt zonder bewegende delen en is bijna trillingsvrij bij extreem lage temperaturen tot 30 millikelvin. Het instrument kan onderzoekers helpen de uitzonderlijke eigenschappen van kwantummaterialen te ontsluiten, die cruciaal zijn voor de ontwikkeling van kwantumcomputers en sensoren.

Natuurkundigen beschouwen het temperatuurbereik nabij het absolute nulpunt als een bijzonder opwindend onderzoeksgebied. Thermische schommelingen worden tot een minimum beperkt. De wetten van de kwantumfysica spelen een rol en onthullen bijzondere eigenschappen van materialen. Elektrische stroom vloeit dan vrij zonder enige weerstand. Een ander voorbeeld is een fenomeen dat superfluïditeit wordt genoemd:individuele atomen versmelten tot een collectieve toestand en bewegen zonder wrijving langs elkaar heen.

Deze extreem lage temperaturen zijn ook nodig om kwantumeffecten voor kwantumcomputing te onderzoeken en te benutten. Onderzoekers wereldwijd en ook bij Forschungszentrum Jülich streven dit doel momenteel op volle toeren na. Quantumcomputers zouden voor bepaalde taken veel beter kunnen zijn dan conventionele supercomputers. Echter, ontwikkeling staat nog in de kinderschoenen. Een belangrijke uitdaging is het vinden van materialen en processen die complexe architecturen met stabiele kwantumbits mogelijk maken.

"Ik geloof dat een veelzijdige microscoop zoals de onze het instrument bij uitstek is voor deze fascinerende taak, omdat het het mogelijk maakt materie op veel verschillende manieren te visualiseren en te manipuleren op het niveau van individuele atomen en moleculen, " legt Ruslan Temirov van Forschungszentrum Jülich uit.

Na jaren werk, hij en zijn team hebben hiervoor een scanning tunneling microscoop uitgerust met magnetische koeling. "Onze nieuwe microscoop verschilt van alle andere op dezelfde manier als een elektrische auto verschilt van een voertuig met een verbrandingsmotor, " legt de natuurkundige uit Jülich uit. Tot nu toe, onderzoekers vertrouwden op een soort vloeibare brandstof, een mengsel van twee heliumisotopen, om microscopen op zulke lage temperaturen te brengen. "Tijdens de operatie dit koelmengsel circuleert continu door dunne buizen, wat leidt tot meer achtergrondgeluid, ' zegt Temirov.

Het koelapparaat van de microscoop van Jülich, anderzijds, is gebaseerd op het proces van adiabatische demagnetisatie. Het principe is niet nieuw. Het werd in de jaren dertig van de vorige eeuw gebruikt om in het laboratorium voor het eerst temperaturen onder de 1 kelvin te bereiken. Voor de bediening van microscopen, het heeft verschillende voordelen, zegt Ruslan Temirov:"Met deze methode, we kunnen onze nieuwe microscoop koelen door de sterkte van de elektrische stroom die door een elektromagnetische spoel gaat te veranderen. Dus, onze microscoop heeft geen bewegende delen en is praktisch trillingsvrij."

De wetenschappers van Jülich zijn de eersten die met deze techniek een scanning tunneling microscoop hebben gebouwd. "De nieuwe koeltechnologie heeft verschillende praktische voordelen. Niet alleen verbetert het de beeldkwaliteit, maar de bediening van het hele instrument en de hele opstelling zijn vereenvoudigd, ", zegt instituutsdirecteur Stefan Tautz. Dankzij het modulaire ontwerp, de Jülich-kwantummicroscoop blijft ook openstaan ​​voor technische vooruitgang, hij voegt toe, omdat upgrades eenvoudig kunnen worden geïmplementeerd.

"Adiabatische koeling is een echte kwantumsprong voor scanning tunneling microscopie. De voordelen zijn zo groot dat we nu een commercieel prototype ontwikkelen als onze volgende stap, Stefan Tautz legt uit. Quantumtechnologieën staan ​​momenteel centraal in veel onderzoek. De interesse van veel onderzoeksgroepen voor een dergelijk instrument is dan ook verzekerd.

Het onderzoek is gepubliceerd in Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten .