原子“瑞士军刀”精确衡量量子计算机的先进材料

NIST推出蓝图，为建立三对测量工具来研究量子材料。

它是单个原子。它地图在金属和绝缘表面上映射原子级山丘和山谷。它记录了跨磁场的原子薄材料的电流流。国家标准和技术研究所（NIST）的科学家开发了一种新颖的仪器，可以同时制作三种原子尺寸测量。这些测量可以揭示关于开发下一代量子计算机，通信和其他应用程序的广泛特殊材料的新知识。通过智能手机到多

个轴，执行多个功能的设备通常更方便可能比他们替换的单一目的工具便宜，并且它们的多种功能通常比单独工作更好。新的三合一仪器是一种用于原子级测量的瑞士军刀。NIST研究员Joseph Stroscio和他的同事包括Johannes Schwenk和Sungmin Kim，提供了一个详细的配方，用于在科学仪器审查中构建设备。

“我们描述了其他人复制的蓝图，”Stroscio说。“他们可以修改他们的乐器;他们不必购买新设备。“

通过在从纳米到毫米的尺度上同时进行测量，仪器可以帮助研究人员对材料中可能证明新一代计算机和通信设备的物质中的几种异常性质的原子来源。这些性能包括耐电阻的电阻流，量子跳跃，电阻可以作为新颖的电气开关，以及设计量子位的新方法，这可能导致基于固态的量子计算机。

“通过用大规模连接原子，我们可以以我们不能以前的方式表征材料，”Stroscio说。

虽然所有物质的性质都有它们的圆形机制的根源 - 但是，在大规模的大规模上忽略了管理原子和电子的Lilliputian领域的物理法律，例如我们每天都经历的宏观世界。但对于称为量子材料的高度承诺的材料类，其通常由一个或多个原子薄层组成，电子之间的强量子效应在大距离上持续存在，并且量子理论的规则即使在宏观长度上也可以支配。这些效果导致可用于新技术的卓越性质。

为了更精确地研究这些性质，Stroscio和他的同事在一个仪器中组合在一个精密测量装置中。两个装置，原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）检查固体的微观性质，而第三工具记录磁输送的宏观性 - 在磁场存在下的电流流动。

“没有单一类型的测量提供了了解量子材料的所有答案，”NISTICENERAILS NIKOLAIZHITENEV说。“具有多种测量工具的该设备提供了这些材料的更全面的画面。”

为了构建仪器，NIST团队设计了一个AFM和磁阻测量装置，比以前的版本更紧凑，并且具有比以前的零件更少。然后他们将这些工具与现有的STM集成。

STM和AFM都使用针尖尖端来检查表面的原子尺度结构。STM通过将尖端放置在研究中的纳米纳米（亿米）的材料的一部分内，将金属表面的形貌映射。通过测量隧道外表面的电子流量，因为尖锐的尖端悬停在材料上方，STM揭示了样品的原子尺度山丘和山谷。

相反，AFM通过其尖端在表面上振荡的频率变化来测量力。（尖端安装在微型悬臂上，允许探头自由摆动。）随着尖锐探针感测力的振荡频率偏移，例如分子之间的吸引力，或具有材料表面的静电力。为了测量磁传输，在浸入已知磁场中的表面上施加电流。电压表记录了设备上不同位置的电压，露出材料的电阻。

该集合安装在低温恒温器内，该设备将系统冷却到高于绝对零的百分之一度的设备。在该温度下，原子颗粒的随机量子抖动最小化，大规模的量子效应变得更加明显，更容易测量。从外部电噪声屏蔽的三合一设备也比任何先前的所有相似仪器更敏感的5至10倍，接近可以在低温下实现的基本量子噪声限制。

虽然三个完全独立的仪器可能 - STM，AFM和磁传输设置 - 要进行相同的测量，插入，然后缩回每个工具可以干扰样品并减小分析的准确性。单独的仪器还可以使其难以复制确切的条件，例如量子材料的每个超薄层之间的温度和旋转角度，在此进行先前的测量。

为了实现一个具有高灵敏度的三合一仪器的目标，NIST团队与一支国际专家组合作，其中包括德国雷根斯堡大学的Franz Giessibl，他们发明了一个高效的AFM被称为QPlus AFM的AFM。该团队选择了一种紧凑的设计，增加了显微镜的刚度，并用一系列过滤器装备了系统，以筛选射频噪声。STM的原子薄针作为AFM的力传感器加倍，其基于由Giessibl为三合一仪器创建的新力传感器设计。

对于Stroscio，建立更复杂的STM的先驱，新设备是在扫描探针显微镜的三十多年职业生涯中的巅峰。他指出，他的团队一直在努力，多年来大大降低了其测量中的电噪声。“我们现在已经通过了这种新仪器中的热量和量子限制来实现了最终分辨率，”Stroscio说。

“这觉得我爬上了洛矶山脉的最高峰，”他补充道。“这是一个很好的合成我在过去30多年上学到的一切。”

参考：“μ在Of-Outando扫描隧道显微镜下实现EV隧道分辨率，原子力显微镜和Quantum Material Materials Research的MagnetOcransport系统”由Johannes Schwenk，Sungmin Kim，Julian Berwanger，Fereshte Ghahari，Daniel Walkup，Marlou R. Slot，Son T. Le，William G. Cullen，Steven R. Blankenship，Sasa Vranjkovic，Hans J. Hug，Young Kuk，Franz J. Giessibl和Joseph A. Stroscio，7月6日2020年7月6日，评论科学仪器
.DOI：10.1063/5.0005320