Американські фізики створили прилад для вивчення властивостей квантових матеріалів, в якому об'єднали відразу кілька наукових інструментів. Він дозволяє вивчати поверхню матеріалів за допомогою атомно-силового і скануючого тунельного мікроскопів, а також досліджувати явища, що виникають при протіканні струму через матеріал у присутності магнітного поля при наднизьких температурах до 10 мілікельвін. Новий інструмент перевершує в точності попередні відомі розробки в десять разів, йдеться в статті, опублікованій в журналі.
Незважаючи на те, що макроскопічні властивості речовини беруть свій початок на мікрорівні, вони зазвичай описуються законами класичної фізики, оскільки квантові ефекти незначні на великих масштабах і тому ігноруються. Однак існує клас матеріалів, в яких квантові ефекти відіграють помітну роль і на макрорівні. Ці матеріали називають квантовими, а їхні типові представники, наприклад графен, складаються з одного або декількох тонких шарів товщиною від одного атома. При дослідженні подібних структур часто буває важливо співвідносити вимірювання макроскопічних властивостей з мікроскопічними характеристиками, що набагато легше зробити, якщо вимірювання проводяться в одних і тих же умовах всередині одного приладу.
Фізики під керівництвом Джозефа Стросціо (Joseph A. Stroscio) і Йоханеса Швенка (Johannes Schwenk) з американського Національного інституту стандартів і технологій створили експериментальний прилад для дослідження квантових матеріалів, здатний виконувати вимірювання такого роду. У ньому об'єднані можливості скануючої зондової мікроскопії: атомно-силового і скануючого тунельного мікроскопів, призначених для вивчення поверхні матеріалів на масштабах аж до розмірів окремих атомів, з можливістю вимірювання ефектів магнітотранспорту - явищ, пов'язаних з впливом магнітного поля на протікання струму в речовині.
Атомно-силовий (АСМ) і скануючий тунельний мікроскопи (СТМ) досліджують властивості поверхні матеріалу на наномасштабі за допомогою зонда-голки. При цьому СТМ використовується для вивчення провідних матеріалів, оскільки в основі принципу його роботи лежить вимірювання тунельного струму між поверхнею і «паруючою» над нею на висоті декількох ангстрем голкою зонда. У той час як АСМ, в якому сили взаємодії між зондом і поверхнею реєструються за вигинами кантилевера - консолі на кінці якої закріплена наноігла, може застосовуватися і для непровідних матеріалів. У новому пристрої обидва режими реалізовані з використанням одного універсального кварцового сенсора, схожого зовні на камертон, один із зубців якого жорстко закріплений, а на другому знаходиться вимірювальна голка.
Для дослідження явищ, пов'язаних з магнітотранспортом, зразок встановлюється на спеціальні контактні майданчики, після чого при включеному зовнішньому магнітному полі відомої величини (до 15 тесла), до нього прикладається струм і вимірюються електричні характеристики в різних його точках.
Під час вимірювань вся система інструментів і досліджуваний матеріал знаходяться в надвисокому вакуумі при наднизькій температурі всередині рефрижератора розчинення - кріогенного пристрою для охолодження якого використовується суміш ізотопів гелію-3 і гелію-4. Значення робочої температури становить 10 мілікельвін. При такій температурі мінімізуються випадкові квантові флуктуації частинок і тим самим знижується рівень шуму.
Для зниження радіочастотних перешкод дослідники застосували систему розміщених всередині кріостату фільтрів, що складаються з суміші порошку металів і епоксидної смоли, а також розробили нову систему підсилювачів сигналів, що працюють при кріогенних температурах. Все це дозволило збільшити чутливість майже в десять разів порівняно з іншими відомими інструментами, наблизившись до максимально можливої межі при робочій температурі. Так під час калібрувальних тестів вчені отримали оцінку для дозвільної здатності в режимі тунельної спектроскопії менше восьми мікроелектронвольт при робочій температурі 10 мілікельвін.
За словами керівника групи Джозефа Стросціо, інші вчені зможуть використовувати схему нового приладу для модифікації наявних у них інструментів, що позбавить їх від необхідності купувати нове обладнання для досліджень. Крім того, в майбутньому дослідники планують розширити список можливостей, наприклад додавши модуль для спостереження електронного парамагнітного резонансу.
Раніше ми розповідали, як вчені відразу з двох наукових груп створили кріоелектронні мікроскопи, які дозволяють проводити вимірювання з роздільною здатністю 1,2 ангстрема, а також про створення пристрою для майбутніх гравітаційних детекторів, яке здатне при кімнатній температурі придушувати до 15 відсотків квантового шуму в світловому промені