美国国家标准技术研究院（NIST）的科学家开发了一种新型仪器，可以同时进行三种原子尺度的测量。这种仪器将单个原子成像，在金属和绝缘表面上绘制原子级的丘陵和山谷，记录在巨大磁场作用下原子间材料的电流流动。这些测量可用以广泛地发现有关特殊材料的新认知，这些认知对于开发下一代量子计算机、通信和许多其他应用至关重要。
从智能手机到多功能器具，执行多种功能的设备通常比它们替代的单一用途的工具更方便，而且价格可能更低，并且它们的多种功能通常比单独使用更好。新型三合一仪器是一种犹如瑞士军刀一样的一种多功能的原子级测量工具。该最新研究发现论文发表在今天的《科学仪器评论》上。
研究人员表示：“我们在论文中描述了提供他人复制的蓝图。” “他们可以修改自己所拥有的仪器，而不必购买新设备。”
通过同时进行从纳米到毫米范围内的测量，该仪器可以帮助研究人员寻求材料中几种不寻常特性的原子起源，这对于新一代计算机和通信设备来说可能是无价之宝。这些特性包括电流的无电阻流动，可以用作新型电开关的电阻中的量子跃迁以及设计量子位的新方法，这些方法可能导致基于固态的量子计算机。“通过大规模连接原子，我们可以以前所未有的方式表征材料。”
尽管所有物质的特性都起源于量子力学，但通常在诸如我们每天经历的宏观世界之类的大尺度上，量子效应通常可以忽略。但是对于一类非常有前途的材料，即通常由一个或多个原子薄层所组成的量子材料，电子组之间的强量子效应会在很长的距离上持续存在，即使在宏观长度尺度上，量子理论的规则也能占主导地位。这些影响导致可用于新技术的卓越性能。
为了更精确地研究这些特性，研究团队在一个仪器中结合了三组精密测量设备，其中两个设备是原子力显微镜（atomic force microscope，简写：AFM）和扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，简写：STM），用于检查固体的微观特性，而第三个工具则记录磁传输的宏观特性，即存在磁场时的电流流动。
如下图所示扫描探针模块内部的样品照片，显示与包含待研究样品的板的八个电触点。在中心可以看到探针尖端及其在样品中的反射。下图：铝样品的原子力图像，显示了在0.01开尔文（-459.65华氏度）下测得的原子排列。红色曲线表示铝膜通过具有零电压电流而超导。
研究人员说：“没有任何一种类型的测量可以提供理解量子材料的所有答案。” “该设备带有多种测量工具，可以提供有关这些材料的更全面的信息。”
为了制造该仪器，研究团队设计了一个原子力显微镜和一个磁传输测量设备，与以前的版本相比，该设备更紧凑且运动部件更少。然后，他们将工具与现有的扫描隧道显微镜集成在一起。
扫描隧道显微镜和原子力显微镜均使用尖锐的尖端以检查表面的原子尺度结构。扫描隧道显微镜通过将尖端放置在所研究材料的几分之一纳米（十亿分之一米）内来绘制金属表面的形貌。通过测量尖锐的尖端在材料上方徘徊时从金属表面逸出的电子流，扫描隧道显微镜揭示了样品的原子级丘陵和山谷。
相反，原子力显微镜通过其尖端在表面上盘旋时振动的频率变化来测量力。尖端安装在微型悬臂上，可以使探针自由摆动。随着尖锐的探针感测到力（例如分子之间的吸引力或与材料表面的静电力），振荡频率会发生变化。为了测量磁传输，将电流施加到浸没在已知磁场中的表面上。电压表记录设备上不同位置的电压，从而显示材料的电阻。
该集成系统安装在低温恒温器内部，低温恒温器是一种将系统冷却至比绝对零高出一百分之一度的设备。在该温度下，原子粒子的随机量子抖动被最小化，大规模量子效应变得更加明显并且更易于测量。这种三合一器件可以屏蔽外部电气噪声，其灵敏度也比以前的任何同类仪器高出五到十倍，接近了在低温下可以达到的基本量子噪声极限。
尽管有可能使用三种完全独立的仪器（扫描隧道显微镜，原子力显微镜和磁性传输装置）进行相同的测量，但每个工具会干扰样品并降低分析的准确性，分开的仪器还可能使得难以精确复制条件，例如量子材料的每个超薄层之间的温度和旋转角度。
研究人员表示，这种具有高灵敏度的完美融合的三合一仪器，“现在已经在这种新仪器中达到了热和量子极限所给定的最终分辨率。”
参考：Achieving μeV tunneling resolution in an in-operando scanning tunneling microscopy, atomic force microscopy, and magnetotransport system for quantum materials research, Review of Scientific Instruments (2020). DOI: 10.1063/5.0005320
