Атомный «швейцарский нож» точно измеряет материалы для квантовых компьютеров

Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый прибор «три в одном», который может одновременно выполнять три вида измерений в масштабе атомов. Вместе эти измерения могут открыть новые знания о широком спектре специальных материалов, которые имеют решающее значение для разработки квантовых компьютеров следующего поколения, средств связи и множества других приложений. Исследование опубликовано в журнале Review of Scientific Instruments.

От смартфонов до мультиварок — устройства, которые выполняют несколько функций, часто более удобны и потенциально дешевле, чем универсальные инструменты, которые они заменяют, а их многочисленные функции часто работают лучше, чем по отдельности. Новый прибор «три в одном» — это своего рода швейцарский армейский нож для измерений в атомном масштабе. Исследователь NIST Джозеф Строссио и его коллеги, в том числе Йоханнес Швенк и Сунгмин Ким, представляют подробный рецепт создания устройства.

Мы описываем наш план по созданию устройства для других людей, чтобы они могли его скопировать. Они могут модифицировать имеющиеся у них инструменты; им больше не нужно покупать новое оборудование.

 

Джозеф Строссио, исследователь NIST

Одновременно проводя измерения в масштабах от нанометров до миллиметров, прибор может помочь исследователям сосредоточиться на атомном происхождении некоторых необычных свойств материалов. Они могут оказаться неоценимыми для компьютеров нового поколения и устройств связи.

Свойства, которые интересуют ученых, включают в себя протекание электрического тока без сопротивления, а также квантовые скачки электрического сопротивления, которые могут служить новыми электрическими переключателями. Кроме того, исследователи заинтересованы в новых методах проектирования квантовых битов — они могут привести к созданию твердотельных квантовых компьютеров.

Для квантовых материалов, которые обычно состоят из одного или нескольких атомно тонких слоев, сильные квантовые эффекты между группами электронов сохраняются на больших расстояниях. Эти эффекты приводят к тем свойствам, которые могут быть использованы для новых технологий.

Чтобы более точно изучить свойства квантовых материалов, ученые объединили в одном приборе три точных измерительных прибора. Два устройства— атомно-силовой микроскоп (АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — исследуют микроскопические свойства твердых тел. В это же самое время третий инструмент регистрирует макроскопические свойства магнитного переноса — поток тока в присутствии магнитного поля.

Для создания прибора ученые разработали АСМ и магнитно-измерительное устройство, которые были бы более компактными и имели меньше движущихся частей, чем в предыдущих версиях. Затем они интегрировали инструменты с существующим STM.

И STM, и AFM используют остроконечный наконечник, чтобы исследовать атомную структуру поверхностей.

Ансамбль установлен внутри криостата, устройства, которое охлаждает систему до одной сотой градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре случайный квантовый джиттер атомных частиц сводится к минимуму, и крупномасштабные квантовые эффекты становятся более выраженными и их легче измерять. Устройство «три в одном», которое защищено от внешних электрических помех, также в 5–10 раз более чувствительно, чем любой предыдущий набор аналогичных приборов.

Хотя три абсолютно независимых прибора — STM, AFM и установка магнитного транспорта — могут выполнять одни и те же измерения, их перемещения могут нарушить выборку и снизить точность анализа. Отдельные приборы также могут затруднить копирование точных условий. Например, таких как температура и угол поворота между каждым ультратонким слоем квантового материала, при котором проводились предыдущие измерения.

https://hightech.fm/2020/07/07...