新一代無(wú)液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡研究獲得進(jìn)展
低溫在凝聚態(tài)物理研究中扮演越來(lái)越重要的角色，是對(duì)多體系統(tǒng)中強(qiáng)相互作用的復(fù)雜行為開(kāi)展深入研究的必要條件。隨著液氦資源的日趨緊張和無(wú)液氦制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無(wú)液氦制冷的設(shè)備將逐步成為低溫科研儀器的主流方向。迄今為止，磁共振成像、超導(dǎo)磁體、綜合物性測(cè)量系統(tǒng)等諸多儀器設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了無(wú)液氦化。然而，具有亞原子分辨能力的掃描探針顯微系統(tǒng)（SPM）對(duì)震動(dòng)水平的要求極為苛刻，因此實(shí)現(xiàn)無(wú)液氦閉循環(huán)制冷技術(shù)在低溫SPM領(lǐng)域的應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。近十年來(lái)，世界上多個(gè)團(tuán)隊(duì)和公司嘗試將制冷機(jī)安裝在掃描單元附近實(shí)現(xiàn)無(wú)液氦低溫SPM，而單級(jí)制冷的基礎(chǔ)溫度僅能達(dá)約5K水平，且制冷機(jī)震動(dòng)對(duì)成像的影響仍然顯著。 &@'%0s9g
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中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心郇慶研究團(tuán)隊(duì)（N13組）致力于高端科研儀器的研發(fā)與應(yīng)用，在真空、低溫、材料制備等領(lǐng)域核心關(guān)鍵部件、成套系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)方面取得了系列成果。高鴻鈞院士團(tuán)隊(duì)（N04組）多年來(lái)致力于掃描探針顯微學(xué)及其在低維量子結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，在前沿科學(xué)研究取得一系列重要突破。N13組和N04組長(zhǎng)期合作，陸續(xù)在尖端科研儀器裝備自主研發(fā)方向取得一系列重要進(jìn)展：一套商業(yè)化四探針SPM系統(tǒng)的徹底改造、超高真空光學(xué)-低溫掃描探針顯微鏡聯(lián)合系統(tǒng)的研制和應(yīng)用于多探針顯微鏡的分時(shí)復(fù)用電路系統(tǒng)等。 cMF)2^w}
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新一代無(wú)液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡的三維模型和原理圖 VcXr!4 M
合作團(tuán)隊(duì)再次“儀器”攜手，攻關(guān)新一代無(wú)液氦低溫SPM技術(shù)。該研究研制了一套無(wú)液氦亞3K低溫SPM系統(tǒng)。這一系統(tǒng)顛覆了現(xiàn)有無(wú)液氦SPM近端安裝制冷機(jī)的方式，將低頻大幅震動(dòng)的制冷機(jī)安裝在遠(yuǎn)端的獨(dú)立制冷腔體。通過(guò)數(shù)月的連續(xù)測(cè)試驗(yàn)證，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了~2.8K的基礎(chǔ)溫度、接近±0.1mK的溫度穩(wěn)定性、約1pm震動(dòng)水平、小于10pm/h的溫度漂移，能夠從低溫到室溫寬溫區(qū)內(nèi)連續(xù)變溫成像。在非接觸原子力顯微鏡原子級(jí)分辨成像、掃描隧道譜以及非彈性電子隧道譜的性能方面，該系統(tǒng)達(dá)到了與傳統(tǒng)液氦杜瓦的濕式SPM系統(tǒng)相媲美的水平。相較已有無(wú)液氦SPM方案存在制冷機(jī)近端安裝帶來(lái)的諸多問(wèn)題（不耐烘烤、磁場(chǎng)敏感、安裝角度受限、橡膠波紋管透氣結(jié)冰和難以升級(jí)等），這種閉循環(huán)遠(yuǎn)端制冷方案展現(xiàn)了多方面的優(yōu)勢(shì)：高性能：少量氦氣（~10 L）實(shí)現(xiàn)3K以下基礎(chǔ)溫度，并可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，震動(dòng)水平與濕式系統(tǒng)相當(dāng)；拓展性：利用此遠(yuǎn)端液化4He方案預(yù)冷3He方便實(shí)現(xiàn)亞開(kāi)爾文范圍拓展；兼容性：與強(qiáng)磁場(chǎng)、光學(xué)通路等其他物理環(huán)境的良好兼容性，顯著降低來(lái)自制冷機(jī)的電磁干擾；靈活性：便捷地將現(xiàn)有濕式SPM系統(tǒng)改造為無(wú)液氦SPM，并可應(yīng)用在其他需求低溫且對(duì)振動(dòng)敏感的領(lǐng)域。 }st~$JsV1
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這一閉循環(huán)無(wú)液氦低溫SPM實(shí)現(xiàn)了TRL8級(jí)的技術(shù)就緒度。近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)儀器評(píng)論》上（Review Scientific of Instruments，DOI：10.1063/5.0165089）。該工作將為凝聚態(tài)物理研究、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供高性能的低溫超低振動(dòng)解決方案，并有望推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究取得更大突破。
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