Американские физики создали прибор для изучения свойств квантовых материалов, в котором объединили сразу несколько научных инструментов. Он позволяет изучать поверхность материалов с помощью атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопов, а также исследовать явления, возникающие при протекании тока через материал в присутствии магнитного поля при сверхнизких температурах до 10 милликельвин.

Новый инструмент превосходит в точности предыдущие известные разработки в десять раз, говорится в статье, опубликованной в журнале Review of Scientific Instruments.

Несмотря на то, что макроскопические свойства вещества берут свое начало на микроуровне, они обычно описываются законами классической физики, так как квантовые эффекты незначительны на больших масштабах и потому игнорируются. Однако существует класс материалов, в которых квантовые эффекты играют заметную роль и на макроуровне.

Эти материалы называют квантовыми, а их типичные представители, например графен, состоят из одного или нескольких тонких слоев толщиной от одного атома. При исследовании подобных структур часто бывает важно соотносить измерения макроскопических свойств с микроскопическими характеристиками, что гораздо легче сделать, если измерения проводятся в одних и тех же условиях внутри одного прибора.

Физики под руководством Джозефа Стросцио (Joseph A. Stroscio) и Йоханеса Швенка (Johannes Schwenk) из американского Национального института стандартов и технологий создали экспериментальный прибор для исследования квантовых материалов, способный выполнять измерения такого рода.

В нем объединены возможности сканирующей зондовой микроскопии: атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопов, предназначенных для изучения поверхности материалов на масштабах вплоть до размеров отдельных атомов, с возможностью измерения эффектов магнитотранспорта — явлений, связанных с воздействием магнитного поля на протекание тока в веществе.

Атомно-силовой (АСМ) и сканирующий туннельный микроскопы (СТМ) исследуют свойства поверхности материала на наномасштабе с помощью зонда-иглы. При этом СТМ используется для изучения проводящих материалов, так как в основе принципа его работы лежит измерение туннельного тока между поверхностью и «парящей» над ней на высоте нескольких ангстрем иглой зонда. В то время как АСМ, в котором силы взаимодействия между зондом и поверхностью регистрируются по изгибам кантилевера — консоли на конце которой закреплена наноигла, может применяться и для непроводящих материалов.

В новом устройстве оба режима реализованы с использованием одного универсального кварцевого сенсора, похожего внешне на камертон, один из зубцов которого жестко закреплен, а на втором находится измерительная игла.

Для исследования явлений, связанных с магнитотранспортом, образец устанавливается на специальные контактные площадки, после чего при включенном внешнем магнитном поле известной величины (до 15 тесла), к нему прикладывается ток и измеряются электрические характеристики в разных его точках.

Во время измерений вся система инструментов и исследуемый материал находятся в сверхвысоком вакууме при сверхнизкой температуре внутри рефрижератора растворения — криогенного устройства для охлаждения которого используется смесь изотопов гелия-3 и гелия-4. Значение рабочей температуры составляет 10 милликельвин. При такой температуре минимизируются случайные квантовые флуктуации частиц и тем самым снижается уровень шума.

Для снижения радиочастотных помех исследователи применили систему размещенных внутри криостата фильтров, состоящих из смеси порошка металлов и эпоксидной смолы, а также разработали новую систему усилителей сигналов, работающих при криогенных температурах. Все это позволило увеличить чувствительность почти в десять раз по сравнению с другими известными инструментами, приблизившись к максимально возможному пределу при рабочей температуре. Так во время калибровочных тестов ученые получили оценку для разрешающей способности в режиме туннельной спектроскопии менее восьми микроэлектронвольт при рабочей температуре 10 милликельвин.

По словам руководителя группы Джозефа Стросцио, другие ученые смогут использовать схему нового прибора для модификации имеющихся у них инструментов, что избавит их от необходимости покупать новое оборудование для исследований. Кроме того, в будущем исследователи планируют расширить список возможностей, например добавив модуль для наблюдения электронного парамагнитного резонанса.