Skanningstunnelmikroskop tar bilder av material med atomprecision och kan användas för att manipulera enskilda molekyler eller atomer. Forskare har använt instrumenten i många år för att utforska världen av nanoskopiska fenomen. Ett nytt tillvägagångssätt av fysiker vid Forschungszentrum Jülich skapar nu nya möjligheter att använda enheterna för att studera kvanteffekter. Tack vare magnetisk kylning, deras scanning tunneling mikroskop fungerar utan några rörliga delar och är nästan vibrationsfritt vid extremt låga temperaturer så låga som 30 millikelvin. Instrumentet kan hjälpa forskare att låsa upp de exceptionella egenskaperna hos kvantmaterial, som är avgörande för utvecklingen av kvantdatorer och sensorer.

Fysiker anser att temperaturområdet nära absolut noll är ett särskilt spännande område för forskning. Termiska fluktuationer reduceras till ett minimum. Kvantfysikens lagar spelar in och avslöjar speciella egenskaper hos material. Elektrisk ström flyter då fritt utan motstånd. Ett annat exempel är ett fenomen som kallas superfluiditet:Individuella atomer smälter samman till ett kollektivt tillstånd och rör sig förbi varandra utan friktion.

Dessa extremt låga temperaturer krävs också för att forska och utnyttja kvanteffekter för kvantberäkning. Forskare över hela världen såväl som vid Forschungszentrum Jülich driver för närvarande detta mål i full fart. Kvantdatorer kan vara mycket överlägsna konventionella superdatorer för vissa uppgifter. Dock, utvecklingen är fortfarande i sin linda. En viktig utmaning är att hitta material och processer som gör komplexa arkitekturer med stabila kvantbitar möjliga.

"Jag tror att ett mångsidigt mikroskop som vårt är det valda verktyget för denna fascinerande uppgift, eftersom det gör att materia kan visualiseras och manipuleras på nivån för enskilda atomer och molekyler på många olika sätt, " förklarar Ruslan Temirov från Forschungszentrum Jülich.

Under år av arbete, han och hans team har utrustat ett skanningstunnelmikroskop med magnetisk kylning för detta ändamål. "Vårt nya mikroskop skiljer sig från alla andra på samma sätt som hur en elbil skiljer sig från ett fordon med förbränningsmotor, " förklarar Jülich-fysikern. Fram till nu, forskare har förlitat sig på ett slags flytande bränsle, en blandning av två heliumisotoper, för att få mikroskop till så låga temperaturer. "Under operationen, denna kylblandning cirkulerar kontinuerligt genom tunna rör, vilket leder till ökat bakgrundsljud, säger Temirov.

Kylanordningen i Jülichs mikroskop, å andra sidan, är baserad på processen för adiabatisk avmagnetisering. Principen är inte ny. Den användes på 1930-talet för att nå temperaturer under 1 kelvin i laboratoriet för första gången. För drift av mikroskop, det har flera fördelar, säger Ruslan Temirov:"Med den här metoden, vi kan kyla vårt nya mikroskop bara genom att ändra styrkan hos den elektriska strömmen som passerar genom en elektromagnetisk spole. Således, vårt mikroskop har inga rörliga delar och är praktiskt taget vibrationsfritt."

Jülich -forskarna är de första som någonsin har konstruerat ett skanningstunnelmikroskop med denna teknik. "Den nya kyltekniken har flera praktiska fördelar. Den förbättrar inte bara bildkvaliteten, men driften av hela instrumentet och hela installationen är förenklad, " säger institutets direktör Stefan Tautz. Tack vare sin modulära design, Jülich kvantmikroskop förblir också öppet för tekniska framsteg, han lägger till, eftersom uppgraderingar enkelt kan implementeras.

"Adiabatisk kylning är ett verkligt kvantsprång för skanning av tunnelmikroskopi. Fördelarna är så betydande att vi nu utvecklar en kommersiell prototyp som nästa steg, " förklarar Stefan Tautz. Kvantteknologier är för närvarande i fokus för mycket forskning. Många forskargruppers intresse för ett sådant instrument är därför säkerställt.

Forskningen publicerades i Granskning av vetenskapliga instrument .