美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種新型儀器，可以同時(shí)進(jìn)行三種原子尺度的測(cè)量。這種儀器將單個(gè)原子成像，在金屬和絕緣表面上繪制原子級(jí)的丘陵和山谷，記錄在巨大磁場(chǎng)作用下原子間材料的電流流動(dòng)。這些測(cè)量可用以廣泛地發(fā)現(xiàn)有關(guān)特殊材料的新認(rèn)知，這些認(rèn)知對(duì)于開(kāi)發(fā)下一代量子計(jì)算機(jī)、通信和許多其他應(yīng)用至關(guān)重要。

從智能手機(jī)到多功能器具，執(zhí)行多種功能的設(shè)備通常比它們替代的單一用途的工具更方便，而且價(jià)格可能更低，并且它們的多種功能通常比單獨(dú)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(jí)測(cè)量工具。該最新研究發(fā)現(xiàn)論文發(fā)表在今天的《科學(xué)儀器評(píng)論》上。

研究人員表示：“我們?cè)谡撐闹忻枋隽颂峁┧藦?fù)制的藍(lán)圖?！?“他們可以修改自己所擁有的儀器，而不必購(gòu)買(mǎi)新設(shè)備?！?

通過(guò)同時(shí)進(jìn)行從納米到毫米范圍內(nèi)的測(cè)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(duì)于新一代計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備來(lái)說(shuō)可能是無(wú)價(jià)之寶。這些特性包括電流的無(wú)電阻流動(dòng)，可以用作新型電開(kāi)關(guān)的電阻中的量子躍遷以及設(shè)計(jì)量子位的新方法，這些方法可能導(dǎo)致基于固態(tài)的量子計(jì)算機(jī)。“通過(guò)大規(guī)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(zhì)的特性都起源于量子力學(xué)，但通常在諸如我們每天經(jīng)歷的宏觀世界之類(lèi)的大尺度上，量子效應(yīng)通?？梢院雎浴５菍?duì)于一類(lèi)非常有前途的材料，即通常由一個(gè)或多個(gè)原子薄層所組成的量子材料，電子組之間的強(qiáng)量子效應(yīng)會(huì)在很長(zhǎng)的距離上持續(xù)存在，即使在宏觀長(zhǎng)度尺度上，量子理論的規(guī)則也能占主導(dǎo)地位。這些影響導(dǎo)致可用于新技術(shù)的卓越性能。

為了更精確地研究這些特性，研究團(tuán)隊(duì)在一個(gè)儀器中結(jié)合了三組精密測(cè)量設(shè)備，其中兩個(gè)設(shè)備是原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡(jiǎn)寫(xiě)：AFM）和掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，簡(jiǎn)寫(xiě)：STM），用于檢查固體的微觀特性，而第三個(gè)工具則記錄磁傳輸?shù)暮暧^特性，即存在磁場(chǎng)時(shí)的電流流動(dòng)。

如下圖所示掃描探針模塊內(nèi)部的樣品照片，顯示與包含待研究樣品的板的八個(gè)電觸點(diǎn)。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(kāi)爾文（-459.65華氏度）下測(cè)得的原子排列。紅色曲線表示鋁膜通過(guò)具有零電壓電流而超導(dǎo)。

研究人員說(shuō)：“沒(méi)有任何一種類(lèi)型的測(cè)量可以提供理解量子材料的所有答案。” “該設(shè)備帶有多種測(cè)量工具，可以提供有關(guān)這些材料的更全面的信息?！?

為了制造該儀器，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)原子力顯微鏡和一個(gè)磁傳輸測(cè)量設(shè)備，與以前的版本相比，該設(shè)備更緊湊且運(yùn)動(dòng)部件更少。然后，他們將工具與現(xiàn)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(jié)構(gòu)。掃描隧道顯微鏡通過(guò)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(nèi)來(lái)繪制金屬表面的形貌。通過(guò)測(cè)量尖銳的尖端在材料上方徘徊時(shí)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(jí)丘陵和山谷。

相反，原子力顯微鏡通過(guò)其尖端在表面上盤(pán)旋時(shí)振動(dòng)的頻率變化來(lái)測(cè)量力。尖端安裝在微型懸臂上，可以使探針自由擺動(dòng)。隨著尖銳的探針感測(cè)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(huì)發(fā)生變化。為了測(cè)量磁傳輸，將電流施加到浸沒(méi)在已知磁場(chǎng)中的表面上。電壓表記錄設(shè)備上不同位置的電壓，從而顯示材料的電阻。

該集成系統(tǒng)安裝在低溫恒溫器內(nèi)部，低溫恒溫器是一種將系統(tǒng)冷卻至比絕對(duì)零高出一百分之一度的設(shè)備。在該溫度下，原子粒子的隨機(jī)量子抖動(dòng)被最小化，大規(guī)模量子效應(yīng)變得更加明顯并且更易于測(cè)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(lèi)儀器高出五到十倍，接近了在低溫下可以達(dá)到的基本量子噪聲極限。