Microscópios de varredura por tunelamento capturam imagens de materiais com precisão atômica e podem ser usados ​​para manipular moléculas ou átomos individuais. Os pesquisadores têm usado os instrumentos por muitos anos para explorar o mundo dos fenômenos nanoscópicos. Uma nova abordagem dos físicos da Forschungszentrum Jülich está agora criando novas possibilidades para usar os dispositivos para estudar os efeitos quânticos. Graças ao resfriamento magnético, seu microscópio de tunelamento de varredura funciona sem nenhuma peça móvel e é quase livre de vibração em temperaturas extremamente baixas, tão baixas quanto 30 milikelvin. O instrumento pode ajudar os pesquisadores a desbloquear as propriedades excepcionais dos materiais quânticos, que são cruciais para o desenvolvimento de computadores quânticos e sensores.

Os físicos consideram a faixa de temperatura próxima do zero absoluto uma área particularmente interessante para pesquisa. As flutuações térmicas são reduzidas ao mínimo. As leis da física quântica entram em ação e revelam propriedades especiais dos materiais. A corrente elétrica então flui livremente sem qualquer resistência. Outro exemplo é um fenômeno denominado superfluidez:átomos individuais se fundem em um estado coletivo e passam uns pelos outros sem atrito.

Essas temperaturas extremamente baixas também são necessárias para pesquisar e aproveitar os efeitos quânticos da computação quântica. Pesquisadores em todo o mundo, bem como no Forschungszentrum Jülich, estão atualmente perseguindo esse objetivo a toda velocidade. Os computadores quânticos podem ser muito superiores aos supercomputadores convencionais para certas tarefas. Contudo, o desenvolvimento ainda está em sua infância. Um dos principais desafios é encontrar materiais e processos que possibilitem arquiteturas complexas com bits quânticos estáveis.

"Eu acredito que um microscópio versátil como o nosso é a ferramenta de escolha para esta tarefa fascinante, porque permite que a matéria seja visualizada e manipulada no nível de átomos e moléculas individuais de muitas maneiras diferentes, "explica Ruslan Temirov da Forschungszentrum Jülich.

Ao longo de anos de trabalho, ele e sua equipe equiparam um microscópio de varredura por tunelamento com resfriamento magnético para essa finalidade. "Nosso novo microscópio difere de todos os outros de maneira semelhante a como um carro elétrico difere de um veículo com motor de combustão, "explica o físico de Jülich. Até agora, pesquisadores têm contado com um tipo de combustível líquido, uma mistura de dois isótopos de hélio, para trazer microscópios a temperaturas tão baixas. "Durante a operação, esta mistura de resfriamento circula continuamente através de tubos finos, o que leva a um aumento do ruído de fundo, "diz Temirov.

O dispositivo de resfriamento do microscópio de Jülich, por outro lado, baseia-se no processo de desmagnetização adiabática. O princípio não é novo. Foi usado na década de 1930 para atingir temperaturas abaixo de 1 kelvin em laboratório pela primeira vez. Para a operação de microscópios, tem várias vantagens, diz Ruslan Temirov:"Com este método, podemos resfriar nosso novo microscópio apenas mudando a força da corrente elétrica que passa por uma bobina eletromagnética. Assim, nosso microscópio não tem partes móveis e é praticamente livre de vibração. "

Os cientistas de Jülich são os primeiros a construir um microscópio de varredura por tunelamento usando essa técnica. "A nova tecnologia de resfriamento tem várias vantagens práticas. Não só melhora a qualidade da imagem, mas a operação de todo o instrumento e toda a configuração são simplificadas, "diz o diretor do instituto Stefan Tautz. Graças ao seu design modular, o microscópio quântico Jülich também permanece aberto a avanços técnicos, ele adiciona, pois as atualizações podem ser facilmente implementadas.

"O resfriamento adiabático é um salto quântico real para a microscopia de tunelamento de varredura. As vantagens são tão significativas que agora estamos desenvolvendo um protótipo comercial como nossa próxima etapa, "Stefan Tautz explica. As tecnologias quânticas são atualmente o foco de muitas pesquisas. O interesse de muitos grupos de pesquisa em tal instrumento está, portanto, assegurado.

A pesquisa foi publicada em Revisão de instrumentos científicos .