Den avbildar enstaka atomer. Den kartlägger kullar och dalar i atomär skala på metall- och isolerande ytor. Och den registrerar strömflödet över atomtunna material som är föremål för gigantiska magnetfält. Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat ett nytt instrument som kan göra tre typer av mätningar i atomskala samtidigt. Tillsammans, dessa mätningar kan avslöja ny kunskap om ett brett utbud av specialmaterial som är avgörande för att utveckla nästa generation kvantdatorer, kommunikation och en mängd andra applikationer.

Från smartphones till multicookers, enheter som utför flera funktioner är ofta mer bekväma och potentiellt billigare än de engångsverktyg som de ersätter, och deras många funktioner fungerar ofta bättre tillsammans än separat. Det nya tre-i-ett-instrumentet är en slags schweizisk armékniv för mätningar i atomskala. NIST-forskaren Joseph Stroscio och hans kollegor, inklusive Johannes Schwenk och Sungmin Kim, presentera ett detaljerat recept för att bygga enheten i Granskning av vetenskapliga instrument .

"Vi beskriver en ritning för andra människor att kopiera, ", sade Stroscio. "De kan modifiera de instrument de har; de behöver inte köpa ny utrustning."

Genom att samtidigt utföra mätningar på skalor som sträcker sig från nanometer till millimeter, instrumentet kan hjälpa forskare att ta reda på det atomära ursprunget till flera ovanliga egenskaper i material som kan visa sig vara ovärderliga för en ny generation av datorer och kommunikationsenheter. Dessa egenskaper inkluderar det motståndslösa flödet av elektrisk ström, kvanthopp i elektriskt motstånd som skulle kunna fungera som nya elektriska omkopplare, och nya metoder för att designa kvantbitar, vilket kan leda till solid state-baserade kvantdatorer.

"Genom att koppla samman atomen med den stora skalan, vi kan karakterisera material på ett sätt som vi inte kunde tidigare, sa Stroscio.

Även om egenskaperna hos alla ämnen har sina rötter i kvantmekaniken – de fysikaliska lagar som styr det lilliputiska riket av atomer och elektroner – kan kvanteffekter ofta ignoreras i stor skala som den makroskopiska värld vi upplever varje dag. Men för en mycket lovande klass av material som kallas kvantmaterial, som vanligtvis består av ett eller flera atomärt tunna skikt, starka kvanteffekter mellan grupper av elektroner kvarstår över stora avstånd och kvantteorins regler kan dominera även på makroskopiska längdskalor. Dessa effekter leder till anmärkningsvärda egenskaper som kan utnyttjas för ny teknik.

För att studera dessa egenskaper mer exakt, Stroscio och hans kollegor kombinerade i ett enda instrument en trio av precisionsmätanordningar. Två av enheterna, ett atomkraftmikroskop (AFM) och ett scanning tunneling microscope (STM), undersöka mikroskopiska egenskaper hos fasta ämnen, medan det tredje verktyget registrerar den makroskopiska egenskapen hos magnetisk transport - strömflödet i närvaro av ett magnetfält.

"Ingen enskild typ av mätning ger alla svar för att förstå kvantmaterial, " sade NIST-forskaren Nikolai Zhitenev. "Denna enhet, med flera mätverktyg, ger en mer heltäckande bild av dessa material."

För att bygga instrumentet, NIST-teamet designade en AFM och en magnetisk transport-mätanordning som var mer kompakt och hade färre rörliga delar än tidigare versioner. De integrerade sedan verktygen med en befintlig STM.

Både en STM och en AFM använder en nålskarp spets för att undersöka ytornas struktur i atomär skala. En STM kartlägger metallytors topografi genom att placera spetsen inom en bråkdel av en nanometer (miljarddels meter) av materialet som studeras. Genom att mäta flödet av elektroner som tunnlar ut ur metallytan när den vassa spetsen svävar precis ovanför materialet, STM avslöjar provets kullar och dalar i atomär skala.

I kontrast, en AFM mäter krafter genom förändringar i frekvensen med vilken dess spets oscillerar när den svävar över en yta. (Spetsen är monterad på en miniatyrkonsol, vilket gör att sonden kan svänga fritt.) Svängningsfrekvensen skiftar när den skarpa sonden känner av krafter, som attraktionen mellan molekyler, eller de elektrostatiska krafterna med materialets yta. För att mäta magnetisk transport, en ström appliceras över en yta nedsänkt i ett känt magnetfält. En voltmeter registrerar spänningen på olika ställen på enheten, avslöjar materialets elektriska motstånd.

Ensemblen är monterad inuti en kryostat, en enhet som kyler systemet till en hundradels grad över absolut noll. Vid den temperaturen, det slumpmässiga kvantjitteret hos atompartiklar minimeras och storskaliga kvanteffekter blir mer uttalade och lättare att mäta. Tre-i-ett-enheten, som är avskärmad från externt elektriskt brus, är också fem till tio gånger känsligare än någon tidigare uppsättning liknande instrument, närmar sig den grundläggande kvantbrusgränsen som kan uppnås vid låga temperaturer.

Även om det är möjligt för tre helt oberoende instrument – ​​en STM, en AFM och en magnetisk transportinställning – för att göra samma mätningar, Att sätta in och sedan dra tillbaka varje verktyg kan störa provet och försämra analysens noggrannhet. Separata instrument kan också göra det svårt att replikera de exakta förhållandena, såsom temperaturen och rotationsvinkeln mellan varje ultratunt lager av kvantmaterialet, under vilka tidigare mätningar gjorts.

För att uppnå målet med ett tre-i-ett-instrument med hög känslighet, NIST-teamet samarbetade med ett internationellt team av experter, inklusive Franz Giessibl från University of Regensburg, Tyskland, som uppfann en mycket effektiv AFM känd som qPlus AFM. Teamet valde en kompakt design som ökade mikroskopets styvhet och utrustade systemet med en serie filter för att sålla bort radiofrekvensbrus. Den atomärt tunna nålen på STM fungerade som kraftsensor för AFM, som baserades på en ny kraftsensordesign skapad av Giessibl för tre-i-ett-instrumentet.

För Stroscio, en pionjär inom att bygga allt mer sofistikerade STM, den nya enheten är något av en höjdpunkt i en mer än tre decenniums karriär inom skanningssondsmikroskopi. Hans lag, han noterade, hade kämpat i flera år för att dramatiskt minska det elektriska bruset i sina mätningar. "Vi har nu uppnått den ultimata upplösningen som ges av termiska och kvantgränser i detta nya instrument, " sa Stroscio.

"Det här känns som att jag har klättrat på den högsta toppen av Klippiga bergen, " tillade han. "Det är en fin syntes av allt jag har lärt mig under de senaste 30 åren."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.