美國國家標準技術研究院（NIST）的科學家開發了一種新型儀器，可以同時進行三種原子尺度的測量。這種儀器將單個原子成像，在金屬和絕緣表面上繪制原子級的丘陵和山谷，記錄在巨大磁場作用下原子間材料的電流流動。這些測量可用以廣泛地發現有關特殊材料的新認知，這些認知對于開發下一代量子計算機、通信和許多其他應用至關重要。

從智能手機到多功能器具，執行多種功能的設備通常比它們替代的單一用途的工具更方便，而且價格可能更低，并且它們的多種功能通常比單獨使用更好。新型三合一儀器是一種猶如瑞士軍刀一樣的一種多功能的原子級測量工具。該最新研究發現論文發表在今天的《科學儀器評論》上。

研究人員表示：“我們在論文中描述了提供他人復制的藍圖。” “他們可以修改自己所擁有的儀器，而不必購買新設備。”

通過同時進行從納米到毫米范圍內的測量，該儀器可以幫助研究人員尋求材料中幾種不尋常特性的原子起源，這對于新一代計算機和通信設備來說可能是無價之寶。這些特性包括電流的無電阻流動，可以用作新型電開關的電阻中的量子躍遷以及設計量子位的新方法，這些方法可能導致基于固態的量子計算機。“通過大規模連接原子，我們可以以前所未有的方式表征材料。”

盡管所有物質的特性都起源于量子力學，但通常在諸如我們每天經歷的宏觀世界之類的大尺度上，量子效應通常可以忽略。但是對于一類非常有前途的材料，即通常由一個或多個原子薄層所組成的量子材料，電子組之間的強量子效應會在很長的距離上持續存在，即使在宏觀長度尺度上，量子理論的規則也能占主導地位。這些影響導致可用于新技術的卓越性能。

為了更精確地研究這些特性，研究團隊在一個儀器中結合了三組精密測量設備，其中兩個設備是原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡寫：AFM）和掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，簡寫：STM），用于檢查固體的微觀特性，而第三個工具則記錄磁傳輸的宏觀特性，即存在磁場時的電流流動。

如下圖所示掃描探針模塊內部的樣品照片，顯示與包含待研究樣品的板的八個電觸點。在中心可以看到探針尖端及其在樣品中的反射。下圖：鋁樣品的原子力圖像，顯示了在0.01開爾文（-459.65華氏度）下測得的原子排列。紅色曲線表示鋁膜通過具有零電壓電流而超導。

研究人員說：“沒有任何一種類型的測量可以提供理解量子材料的所有答案。” “該設備帶有多種測量工具，可以提供有關這些材料的更全面的信息。”

為了制造該儀器，研究團隊設計了一個原子力顯微鏡和一個磁傳輸測量設備，與以前的版本相比，該設備更緊湊且運動部件更少。然后，他們將工具與現有的掃描隧道顯微鏡集成在一起。

掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡均使用尖銳的尖端以檢查表面的原子尺度結構。掃描隧道顯微鏡通過將尖端放置在所研究材料的幾分之一納米（十億分之一米）內來繪制金屬表面的形貌。通過測量尖銳的尖端在材料上方徘徊時從金屬表面逸出的電子流，掃描隧道顯微鏡揭示了樣品的原子級丘陵和山谷。

相反，原子力顯微鏡通過其尖端在表面上盤旋時振動的頻率變化來測量力。尖端安裝在微型懸臂上，可以使探針自由擺動。隨著尖銳的探針感測到力（例如分子之間的吸引力或與材料表面的靜電力），振蕩頻率會發生變化。為了測量磁傳輸，將電流施加到浸沒在已知磁場中的表面上。電壓表記錄設備上不同位置的電壓，從而顯示材料的電阻。

該集成系統安裝在低溫恒溫器內部，低溫恒溫器是一種將系統冷卻至比絕對零高出一百分之一度的設備。在該溫度下，原子粒子的隨機量子抖動被最小化，大規模量子效應變得更加明顯并且更易于測量。這種三合一器件可以屏蔽外部電氣噪聲，其靈敏度也比以前的任何同類儀器高出五到十倍，接近了在低溫下可以達到的基本量子噪聲極限。

盡管有可能使用三種完全獨立的儀器（掃描隧道顯微鏡，原子力顯微鏡和磁性傳輸裝置）進行相同的測量，但每個工具會干擾樣品并降低分析的準確性，分開的儀器還可能使得難以精確復制條件，例如量子材料的每個超薄層之間的溫度和旋轉角度。

研究人員表示，這種具有高靈敏度的完美融合的三合一儀器，“現在已經在這種新儀器中達到了熱和量子極限所給定的最終分辨率。”

參考：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