Атомарный “швейцарский армейский нож” точно измеряет материалы для квантовых компьютеров

NIST представляет концепцию создания измерительного инструмента «три в одном» для изучения квантовых материалов.

От изображает отдельные атомы. Он картирует холмы и долины атомного масштаба на поверхностях металлов и изоляторов. И он записывает протекание тока через материалы атомной толщины, подверженные воздействию гигантских магнитных полей. Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый прибор, который может одновременно выполнять три вида измерений в атомном масштабе. Вместе эти измерения могут открыть новые знания о широком спектре специальных материалов, которые имеют решающее значение для разработки квантовых компьютеров следующего поколения, средств связи и множества других приложений.

От смартфонов до мультиварок – устройства, которые выполняют несколько функций, часто более удобны и потенциально дешевле, чем универсальные инструменты, которые они заменяют, а их многочисленные функции часто работают лучше, чем по отдельности. Новый прибор «три в одном» – это своего рода швейцарский армейский нож для измерений в атомном масштабе. Исследователь NIST Джозеф Строссио (Joseph Stroscio) и его коллеги, в том числе Йоханнес Швенк (Johannes Schwenk) и Сунгмин Ким (Sungmin Kim), представляют подробный рецепт создания такого устройства в журнале Review of Scientific Instruments.

“Мы описываем проект для других людей, чтобы они могли его скопировать”, – сказал Строско. “Они могут модифицировать инструменты, которые у них есть; им не нужно покупать новое оборудование.”

Одновременно проводя измерения в масштабах от нанометров до миллиметров, прибор может помочь исследователям сосредоточиться на атомном происхождении некоторых необычных свойств материалов, которые могут оказаться неоценимыми для компьютеров нового поколения и устройств связи. Эти свойства включают в себя протекание электрического тока без сопротивления, квантовые скачки электрического сопротивления, которые могут служить новыми электрическими переключателями, и новые методы проектирования квантовых битов, которые могут привести к созданию твердотельных квантовых компьютеров.

“Соединяя атомные и большие масштабы, мы можем характеризовать материалы так, как не могли раньше”, – сказал Строссио.

Хотя свойства всех веществ берут свое начало в квантовой механике – физических законах, управляющих лилипутским царством атомов и электронов, – квантовые эффекты часто можно игнорировать в больших масштабах, таких как макроскопический мир, который мы наблюдаем каждый день. Но для очень многообещающего класса материалов, известных как квантовые материалы, которые обычно состоят из одного или нескольких слоев толщиной в один атом, сильные квантовые эффекты между группами электронов сохраняются на больших расстояниях, и правила квантовой теории могут доминировать даже на макроскопических масштабах расстояний. Эти эффекты приводят к замечательным свойствам, которые могут быть использованы для новых технологий.

Чтобы более точно изучить эти свойства, Строссио и его коллеги объединили в одном приборе три точных измерительных прибора. Два устройства, атомно-силовой микроскоп (АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), исследуют микроскопические свойства твердых тел, а третий инструмент регистрирует макроскопическое свойство магнитного переноса – протекание тока в присутствии магнитного поля.

“Ни один тип измерения не дает всех ответов для понимания квантовых материалов”, – сказал исследователь NIST Николай Житенев (Nikolai Zhitenev). “Этот прибор с несколькими измерительными инструментами обеспечивает более полное представление об этих материалах”.

Для создания прибора команда NIST разработала АСМ и магнитно-транспортное измерительное устройство, которые были более компактными и имели меньше движущихся частей, чем предыдущие версии. Затем они интегрировали эти инструменты с существующим СТМ.

NIST представляет концепцию создания измерительного инструмента «три в одном» для изучения квантовых материалов.
Сверху: фотография образца внутри сканирующего зондового модуля. Показаны восемь электрических контактов с пластиной, содержащей образец для исследования. В центре виден наконечник зонда и его отражение в образце.
Внизу: атомно-силовое изображение образца алюминия, показывающее расположение атомов, измеренное при 0,01 Кельвина (-459,65 градуса по Фаренгейту). Красная кривая показывает, что алюминиевая пленка является сверхпроводящей при наличии электрического тока с нулевым напряжением.

И СТМ, и АСМ используют острый наконечник, чтобы исследовать атомную структуру поверхностей. СТМ наносит на карту топографию металлических поверхностей, помещая наконечник в пределах доли нанометра (миллиардной доли метра) исследуемого материала. Измеряя поток электронов, который выходит из металлической поверхности, когда острый наконечник парит над материалом, СТМ обнаруживает холмы и впадины образца на атомном масштабе.

В отличие от этого, АСМ измеряет силы путем изменения частоты, с которой его наконечник колеблется, когда он парит над поверхностью (наконечник установлен на миниатюрном кантилевере, который позволяет зонду свободно качаться вверх-вниз). Частота колебаний изменяется по мере того, как на острый зонд воздействуют такие силы, как притяжение между молекулами или электростатические силы с поверхности материала. Для измерения магнитного переноса ток прикладывают к поверхности, погруженной в известное магнитное поле. Вольтметр регистрирует напряжение в разных местах образца, показывая электрическое сопротивление материала.

Ансамбль установлен внутри криостата – устройства, которое охлаждает систему до одной сотой градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре случайное квантовое дрожание атомных частиц сводится к минимуму, и крупномасштабные квантовые эффекты становятся более выраженными и легче измеряемыми. Устройство «три в одном», которое защищено от внешних электрических помех, также в 5–10 раз более чувствительно, чем любой предыдущий набор аналогичных приборов, приближаясь к фундаментальному пределу квантового шума, который может быть достигнут при низких температурах.

Несмотря на то, что три абсолютно независимых прибора – СТМ, АСМ и измеритель магнитного транспорта – могут выполнять одни и те же измерения, установка и последующее снятие каждого инструмента может нарушить образец и уменьшить точность анализа. Отдельные приборы также могут затруднить воспроизведение точных условий, таких как температура и угол поворота между каждым ультратонким слоем квантового материала, при котором проводились предыдущие измерения.

Чтобы достичь цели инструмента «три в одном» с высокой чувствительностью, команда NIST установила партнерские отношения с международной группой экспертов, в том числе с Францем Гиссиблом (Franz Giessibl) из Университета Регенсбурга, Германия, который изобрел высокоэффективную АСМ, известную как «qPlus AFM». Команда выбрала компактную конструкцию, которая увеличила жесткость микроскопа, и оснастила систему серией фильтров для экранирования радиочастотного шума. Игла атомной толщины СТМ одновременно выполняла и вторую функцию – как датчик силы для АСМ, который был основан на новой конструкции, созданной Гиссиблом для инструмента «три в одном».

Для Строссио, пионера в создании все более совершенных СТМ, это новое устройство стало чем-то вроде вершины в более чем трехдесятилетней карьере в области сканирующей зондовой микроскопии. Его команда, отметил он, в течение нескольких лет боролась за значительное снижение электрических помех при измерениях. “Теперь в этом новом приборе мы достигли предельного разрешения, заданного тепловыми и квантовыми пределами”, – сказал Строссио.

“Такое чувство, что я поднялся на самую высокую вершину Скалистых гор”, – добавил он. “Это прекрасный синтез всего, что я узнал за последние 30 с лишним лет.

Источник: https://www.nist.gov/news-events/news/2020/07/atomic-swiss-army-knife-precisely-measures-materials-quantum-computers

Публикация: J. Schwenk, S. Kim, J. Berwanger, F. Ghahari, D. Walkup, M.R. Slot, S.T. Le, W.G. Cullen, S.R. Blankenship, S. Vranjkovic, H.J. Hug, Y. Kuk, F.J. Giessibl and J.A. Stroscio. Achieving ueV tunneling resolution in an in-operando STM, AFM, and Magnetotransport System for Quantum Materials Research. Review of Scientific Instruments. Published July 6, 2020. DOI: 10.1063/5.0005320

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *