Imagens de átomos individuais. Ele mapeia colinas e vales em escala atômica em superfícies metálicas e isolantes. E ele registra o fluxo de corrente através de materiais da espessura de um átomo, sujeitos a campos magnéticos gigantes. Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um novo instrumento que pode fazer três tipos de medições em escala atômica simultaneamente. Juntos, essas medições podem revelar novos conhecimentos sobre uma ampla gama de materiais especiais que são cruciais para o desenvolvimento da próxima geração de computadores quânticos, comunicações e uma série de outras aplicações.

De smartphones a multicookers, dispositivos que executam várias funções são muitas vezes mais convenientes e potencialmente menos caros do que as ferramentas de propósito único que substituem, e suas múltiplas funções geralmente funcionam melhor em conjunto do que separadamente. O novo instrumento três em um é uma espécie de canivete suíço para medições em escala atômica. O pesquisador do NIST Joseph Stroscio e seus colegas, incluindo Johannes Schwenk e Sungmin Kim, apresentar uma receita detalhada para construir o dispositivo no Revisão de instrumentos científicos .

"Descrevemos um projeto para outras pessoas copiarem, "Stroscio disse." Eles podem modificar os instrumentos que possuem; eles não precisam comprar novos equipamentos. "

Ao realizar medições simultaneamente em escalas que variam de nanômetros a milímetros, o instrumento pode ajudar os pesquisadores a identificar as origens atômicas de várias propriedades incomuns em materiais que podem ser inestimáveis ​​para uma nova geração de computadores e dispositivos de comunicação. Essas propriedades incluem o fluxo de corrente elétrica sem resistência, saltos quânticos na resistência elétrica que podem servir como novos interruptores elétricos, e novos métodos para projetar bits quânticos, o que poderia levar a computadores quânticos de estado sólido.

"Ao conectar o atômico com a grande escala, podemos caracterizar os materiais de uma forma que não podíamos antes, "disse Stroscio.

Embora as propriedades de todas as substâncias tenham suas raízes na mecânica quântica - as leis físicas que governam o reino liliputiano dos átomos e elétrons - os efeitos quânticos podem frequentemente ser ignorados em grandes escalas, como o mundo macroscópico que vivemos todos os dias. Mas para uma classe altamente promissora de materiais conhecidos como materiais quânticos, que normalmente consiste em uma ou mais camadas atomicamente finas, fortes efeitos quânticos entre grupos de elétrons persistem em grandes distâncias e as regras da teoria quântica podem dominar mesmo em escalas de comprimento macroscópicas. Esses efeitos levam a propriedades notáveis ​​que podem ser aproveitadas para novas tecnologias.

Para estudar essas propriedades com mais precisão, Stroscio e seus colegas combinaram em um único instrumento um trio de dispositivos de medição de precisão. Dois dos dispositivos, um microscópio de força atômica (AFM) e um microscópio de tunelamento de varredura (STM), examinar propriedades microscópicas de sólidos, enquanto a terceira ferramenta registra a propriedade macroscópica do transporte magnético - o fluxo de corrente na presença de um campo magnético.

"Nenhum tipo de medição fornece todas as respostas para a compreensão de materiais quânticos, "disse o pesquisador do NIST Nikolai Zhitenev." Este dispositivo, com várias ferramentas de medição, fornece uma imagem mais abrangente desses materiais. "

Para construir o instrumento, a equipe do NIST projetou um AFM e um dispositivo de medição de transporte magnético que eram mais compactos e tinham menos peças móveis do que as versões anteriores. Em seguida, eles integraram as ferramentas com um STM existente.

Tanto um STM quanto um AFM usam uma ponta afiada como uma agulha para examinar a estrutura em escala atômica das superfícies. Um STM mapeia a topografia de superfícies metálicas, colocando a ponta a uma fração de nanômetro (bilionésimo de metro) do material em estudo. Ao medir o fluxo de elétrons que sai da superfície do metal enquanto a ponta afiada paira logo acima do material, o STM revela colinas e vales em escala atômica da amostra.

Em contraste, um AFM mede as forças por mudanças na frequência em que sua ponta oscila enquanto paira sobre uma superfície. (A ponta é montada em um cantilever em miniatura, que permite que a ponta de prova oscile livremente.) A frequência de oscilação muda conforme a ponta de prova afiada detecta as forças, como a atração entre as moléculas, ou as forças eletrostáticas com a superfície do material. Para medir o transporte magnético, uma corrente é aplicada em uma superfície imersa em um campo magnético conhecido. Um voltímetro registra a tensão em diferentes locais do dispositivo, revelando a resistência elétrica do material.

O conjunto é montado dentro de um criostato, um dispositivo que congela o sistema a um centésimo de grau acima do zero absoluto. Nessa temperatura, o jitter quântico aleatório das partículas atômicas é minimizado e os efeitos quânticos em grande escala se tornam mais pronunciados e mais fáceis de medir. O dispositivo três em um, que é blindado contra ruído elétrico externo, também é cinco a 10 vezes mais sensível do que qualquer conjunto anterior de instrumentos semelhantes, aproximando-se do limite de ruído quântico fundamental que pode ser alcançado em baixas temperaturas.

Embora seja possível para três instrumentos totalmente independentes - um STM, um AFM e uma configuração de transporte magnético - para fazer as mesmas medições, inserir e retrair cada ferramenta pode perturbar a amostra e diminuir a precisão da análise. Instrumentos separados também podem dificultar a replicação das condições exatas, como a temperatura e o ângulo de rotação entre cada camada ultrafina do material quântico, sob as quais as medições anteriores foram feitas.

Para atingir o objetivo de um instrumento três em um com alta sensibilidade, a equipe do NIST fez parceria com uma equipe internacional de especialistas, incluindo Franz Giessibl da Universidade de Regensburg, Alemanha, que inventou um AFM altamente eficaz conhecido como qPlus AFM. A equipe escolheu um design compacto que aumentou a rigidez do microscópio e equipou o sistema com uma série de filtros para filtrar o ruído de radiofrequência. A agulha atomicamente fina do STM dobrou como o sensor de força para o AFM, que foi baseado em um novo design de sensor de força criado por Giessibl para o instrumento três-em-um.

Para Stroscio, uma pioneira na construção de STMs cada vez mais sofisticados, o novo dispositivo é uma espécie de pináculo em uma carreira de mais de três décadas em microscopia de varredura por sonda. O time dele, ele notou, vinha lutando há vários anos para reduzir drasticamente o ruído elétrico em suas medições. "Agora alcançamos a resolução final dada pelos limites térmicos e quânticos neste novo instrumento, "Disse Stroscio.

"Parece que escalei o pico mais alto das Montanhas Rochosas, "Ele acrescentou." É uma bela síntese de tudo que aprendi nos últimos 30 anos. "

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.