物理學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的掃描隧道顯微鏡來(lái)研究量子效應(yīng)

掃描隧道顯微鏡以原子精度捕獲材料圖像，可用于操縱單個(gè)分子或原子。多年來(lái)，研究人員一直在使用這些儀器來(lái)探索納米現(xiàn)象的世界。Forschungszentrum Jülich 的物理學(xué)家的一種新方法現(xiàn)在正在為使用這些設(shè)備研究量子效應(yīng)創(chuàng)造新的可能性。由于磁冷卻，他們的掃描隧道顯微鏡無(wú)需任何移動(dòng)部件即可工作，并且在低至 30 毫開(kāi)爾文的極低溫度下幾乎無(wú)振動(dòng)。該儀器可以幫助研究人員解鎖量子材料的特殊特性，這對(duì)量子計(jì)算機(jī)和傳感器的發(fā)展至關(guān)重要。

物理學(xué)家認(rèn)為絕對(duì)零附近的溫度范圍是一個(gè)特別令人興奮的研究領(lǐng)域。熱波動(dòng)降至最低。量子物理定律開(kāi)始發(fā)揮作用，揭示材料的特殊性質(zhì)。然后電流自由流動(dòng)，沒(méi)有任何阻力。另一個(gè)例子是一種稱為超流動(dòng)的現(xiàn)象：?jiǎn)蝹€(gè)原子融合成一個(gè)集體狀態(tài)，并在沒(méi)有摩擦的情況下相互移動(dòng)。

研究和利用量子效應(yīng)進(jìn)行量子計(jì)算也需要這些極低的溫度。全世界以及 Forschungszentrum Jülich 的研究人員目前正在全速追求這一目標(biāo)。在某些任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。然而，發(fā)展仍處于起步階段。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是尋找材料和工藝，使具有穩(wěn)定量子位的復(fù)雜架構(gòu)成為可能。

“我相信像我們這樣的多功能顯微鏡是完成這項(xiàng)迷人任務(wù)的首選工具，因?yàn)樗軌蛞远喾N不同方式在單個(gè)原子和分子的水平上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行可視化和操作，”來(lái)自 Forschungszentrum Jülich 的 Ruslan Temirov 解釋說(shuō)。

經(jīng)過(guò)多年的工作，他和他的團(tuán)隊(duì)為此配備了帶有磁冷卻的掃描隧道顯微鏡。“我們的新顯微鏡與所有其他顯微鏡的不同之處類似于電動(dòng)汽車(chē)與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的不同之處，”Jülich 物理學(xué)家解釋說(shuō)。到目前為止，研究人員一直依靠一種液體燃料，即兩種氦同位素的混合物，將顯微鏡帶到如此低的溫度。“在運(yùn)行過(guò)程中，這種冷卻混合物通過(guò)細(xì)管不斷循環(huán)，從而導(dǎo)致背景噪音增加，”Temirov 說(shuō)。

另一方面，Jülich 顯微鏡的冷卻裝置基于絕熱退磁過(guò)程。這個(gè)原則并不新鮮。它在 1930 年代首次用于在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到低于 1 開(kāi)爾文的溫度。Ruslan Temirov 說(shuō)，對(duì)于顯微鏡的操作，它有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：“通過(guò)這種方法，我們可以通過(guò)改變通過(guò)電磁線圈的電流強(qiáng)度來(lái)冷卻我們的新顯微鏡。因此，我們的顯微鏡沒(méi)有移動(dòng)部件，幾乎沒(méi)有振動(dòng)。”

Jülich 科學(xué)家是有史以來(lái)第一個(gè)使用這種技術(shù)構(gòu)建掃描隧道顯微鏡的人。“新的冷卻技術(shù)有幾個(gè)實(shí)際優(yōu)勢(shì)。它不僅提高了成像質(zhì)量，而且簡(jiǎn)化了整個(gè)儀器的操作和整個(gè)設(shè)置，”研究所所長(zhǎng) Stefan Tautz 說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，由于采用模塊化設(shè)計(jì)，Jülich 量子顯微鏡也對(duì)技術(shù)進(jìn)步保持開(kāi)放態(tài)度，因?yàn)榭梢暂p松實(shí)施升級(jí)。

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