اتمی چاقو ارتش سوئیس دقیقا اقدامات مواد برای کامپیوترهای کوانتومی

این تصاویر تک اتم است. این نقشه اتمی در مقیاس تپه ها و دره ها بر روی فلز و عایق سطوح. و آن پرونده به جریان جاری در سراسر اتم-مواد نازک موضوع به غول میدان مغناطیسی. دانشمندان در موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) را توسعه داده اند یک رمان ابزار است که می تواند سه نوع اتم-مقیاس اندازه گیری به طور همزمان. با هم این اندازه گیری می تواند به کشف دانش جدید در مورد طیف گسترده ای از مواد ویژه ای است که بسیار مهم برای توسعه نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی ارتباطات و یک میزبان از برنامه های کاربردی دیگر.

از گوشی های هوشمند به multicookers دستگاه هایی که انجام توابع چند اغلب راحت تر و به طور بالقوه کمتر گران تر از تک منظوره ابزار آنها را جایگزین و توابع چندگانه اغلب کار بهتر در کنسرت از به طور جداگانه. جدید سه در یک ابزار است یک نوع چاقوی ارتش سوئیس برای اتم-مقیاس اندازه گیری. NIST محقق یوسف Stroscio و همکارانش از جمله یوهانس Schwenk و Sungmin کیم در حال حاضر دستور العمل های دقیق برای ساخت این دستگاه در نقد و بررسی از ابزار علمی.

"ما توصیف یک طرح برای افراد دیگر به کپی" Stroscio گفت. "آنها می توانید تغییر دهید و ابزار آنها; آنها لازم نیست برای خرید تجهیزات جدید است."

به طور همزمان به انجام اندازه گیری در مقیاس اعم از نانومتر به میلی متر ابزار می تواند کمک به محققان صفر در اتمی ریشه های چندین خواص غیر معمول در مواد که ممکن است ارزشمند برای نسل جدیدی از رایانه ها و دستگاه های ارتباطی است. این خواص عبارتند از: مقاومت-کمتر جریان الکتریکی کوانتومی جهش در مقاومت الکتریکی است که می تواند در خدمت به عنوان رمان سوئیچ الکتریکی و روش های جدید برای طراحی بیت کوانتومی که می تواند منجر به حالت جامد مبتنی بر کامپیوترهای کوانتومی.

"با اتصال اتمی با مقیاس بزرگ ما می توانید با مشخص کردن مواد در یک راه است که ما نمی تواند قبل از اینکه گفت:" Stroscio.

اگر چه خواص تمام مواد را از ریشه های خود را در مکانیک کوانتومی -- قوانین فیزیکی حاکم بر Lilliputian قلمرو اتم ها و الکترون ها -- اثرات کوانتومی می تواند اغلب نادیده گرفته می شود و در مقیاس های بزرگ مانند ماکروسکوپی جهان تجربه می کنیم هر روز. اما بسیار امیدوار کننده کلاس از مواد شناخته شده به عنوان کوانتومی مواد که به طور معمول شامل یک یا چند اتمی لایه های نازک قوی اثرات کوانتومی بین دو گروه از الکترون باقی بماند در فواصل بزرگ و قواعد نظریه کوانتومی می تواند تسلط حتی در ماکروسکوپی ظهر فلس است. این اثرات منجر به خواص قابل توجهی است که می تواند برای مهار فن آوری های جدید.

برای مطالعه این خواص دقیق تر Stroscio و همکارانش ترکیب شده در یک سند واحد سه نفر از دقت اندازه گیری دستگاه است. دو دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و اسکن میکروسکوپ تونل زنی (STM) بررسی میکروسکوپی خواص مواد جامد در حالی که سومین ابزار ثبت ماکروسکوپی خاصیت مغناطیسی حمل و نقل -- جریان در حضور یک میدان مغناطیسی است.

"هیچ نوع اندازه گیری را فراهم می کند تمام پاسخ برای درک کوانتومی مواد" گفت NIST محقق نیکولای Zhitenev. "این دستگاه با چند ابزار اندازه گیری را فراهم می کند جامع تر عکس از این مواد است."

برای ساخت این ساز نیست تیم طراحی یک AFM و مغناطیسی-حمل و نقل-دستگاه اندازه گیری است که جمع و جور تر بود و کمتر حرکت قطعات نسبت به نسخه های قبلی است. سپس آنها را یکپارچه ابزارهای موجود STM.

هر دو یک STM و AFM با استفاده از یک سوزن نوک تیز به بررسی اتمی در مقیاس ساختار سطوح. یک STM نقشه توپوگرافی از سطوح فلزی با قرار دادن این نکته در کسری از یک نانومتر (میلیاردم یک متر) از مواد تحت مطالعه است. با اندازه گیری جریان الکترون ها که تونل از سطح فلز به عنوان نوک تیز به ماوس فقط بالای مواد STM نشان می دهد که نمونه های اتمی در مقیاس تپه ها و دره ها.

در مقابل یک AFM اقدامات نیروهای با تغییر در فرکانس که در آن نکته نوسان آن را به عنوان ماوس بیش از یک سطح. (این نکته است که نصب شده بر روی یک مینیاتور سگدست که اجازه می دهد تا پروب به نوسان آزادانه.) فرکانس نوسان شیفت به عنوان پروب نوک تیز حواس نیروهای جمله جاذبه بین مولکول ها و یا نیروهای الکترواستاتیک با مواد سطح. برای اندازه گیری مغناطیسی حمل و نقل یک زمان اعمال می شود در سراسر یک سطح غوطه ور در یک شناخته شده میدان مغناطیسی. یک ولت متر ثبت ولتاژ در مکان های مختلف بر روی دستگاه آشکار مقاومت الکتریکی از مواد.

گروه نصب شده است در داخل یک cryostat یک دستگاه که لرز سیستم به یک صدم از یک درجه بالاتر از صفر مطلق. در آن درجه حرارت تصادفی کوانتومی با عصبانیت سخن گفتن از ذرات اتمی به حداقل رسیده است و در مقیاس کوانتومی اثر برجسته تر شدن و آسان تر برای اندازه گیری. سه در یک دستگاه است که محافظت از خارجی نویز الکتریکی نیز پنج تا 10 برابر حساس تر از هر قبلی مجموعه ای از ابزار مشابه نزدیک اساسی کوانتومی سر و صدا محدود است که می توان در دماهای پایین است.

اگر چه ممکن است برای سه به طور کامل مستقل ابزار -- یک STM یک AFM و مغناطیسی حمل و نقل راه اندازی -- به همان اندازه قرار دادن و سپس جمع هر ابزار می تواند برهم زدن نمونه و کاهش دقت تجزیه و تحلیل. جداگانه ابزار همچنین می توانید آن را دشوار است به تکرار شرایط دقیق مانند دما و چرخش زاویه بین هر لایه نازک کوانتومی مواد که تحت آن اندازه گیری های قبلی ساخته شد.

برای رسیدن به این هدف از سه در یک دستگاه با حساسیت بالا این نیست تیم با همکاری یک تیم بین المللی از کارشناسان از جمله فرانتس Giessibl از دانشگاه رگنسبورگ آلمان که اختراع بسیار موثر AFM شناخته شده به عنوان qPlus AFM. تیم انتخاب یک طراحی جمع و جور است که افزایش سختی از میکروسکوپ و مجهز به سیستم با یک سری از فیلتر به روی صفحه نمایش از فرکانس رادیویی صدا. این اتمی سوزن نازک از STM دو برابر به عنوان سنسور نیرو برای AFM بود که بر اساس یک نیروی جدید سنسور طراحی شده توسط Giessibl برای سه در یک ابزار است.

برای Stroscio یک پیشگام در ساختمان تا کنون-بیشتر-پیچیده STMs جدید دستگاه چیزی است که از یک اوج در بیش از سه دهه فعالیت حرفه ای در پروب اسکن میکروسکوپ. تیم خود را, او اشاره کرد تا به حال شده است در تلاش برای چندین سال به طور چشمگیری کاهش نویز الکتریکی در آن اندازه گیری شده است. "ما در حال حاضر به دست آورد نهایی قطعنامه داده حرارتی و محدودیت کوانتومی در این ابزار جدید" Stroscio گفت.

"این احساس من از صعود به قله از کوه های راکی," او اضافه شده است. "این خوب سنتز همه چیز را به من آموخته گذشته 30 به علاوه."

###

سلب مسئولیت: AAAS و EurekAlert! مسئول صحت اخبار منتشر شده به EurekAlert! با کمک موسسات و یا برای استفاده از هر گونه اطلاعات از طریق EurekAlert سیستم.