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Neuer Aufbau für Rastertunnelmikroskope

Quanteneffekte ohne Kühlmittelpumpe untersuchen

Prof. Stefan Tautz (l.u.), Dr. Taner Esat (l.o.) und Prof. Ruslan Temirov (r.) am Jülicher »Quantenmikroskop«.
Prof. Stefan Tautz (l.u.), Dr. Taner Esat (l.o.) und Prof. Ruslan Temirov (r.) am Jülicher »Quantenmikroskop«.
© Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Am Forschungszentrum Jülich wurde ein Rastertunnelmikroskop mit Magnetkühlung entwickelt. Die Vorteile überzeugen die Forscher so sehr, dass sie nun einen kommerziellen Prototyp entwickeln.

Die Einführung der Magnetkühlung für Rastertunnelmikroskope bietet für die Messpraxis mehrere Vorteile. »Nicht nur die Abbildungsqualität profitiert davon, auch die Bedienung des Geräts und der gesamte Aufbau vereinfachen sich«, erklärt Stefan Tautz. Der Leiter des Peter Grünberg Instituts für Quantum Nanoscience am Forschungszentrum Jülich sieht die Vorteile gegenüber dem klassischen Aufbau mit Helium-Kühlmittelpumpe als »so signifikant, dass wir im nächsten Schritt nun einen kommerziellen Prototyp entwickeln.«

Ein Nachteil der Helium-Kühlung ist, dass das Kühlmittel während der Messung permanent durch eine Pumpe zirkuliert, dessen Vibrationen die Bildqualität herabsetzen. Die Kühlvorrichtung des Jülicher Mikroskops beruht auf dem schon lange bekannten Prinzip der adiabatischen Entmagnetisierung und erreicht praktisch vibrationsfrei Temperaturen bis 30 mK. Benötigt wird dazu eine Spule, dessen Stromfluss zur Kühlung variiert wird. »Unser Mikroskop kommt daher ohne bewegliche Teile aus, und arbeitet praktisch vibrationsfrei«, berichtet Prof. Ruslan Temirov. In seiner Arbeitsgruppe wurde das Konzept über mehrere Jahre entwickelt und in die Praxis umgesetzt.

Relevanz für Quantensensorik und Quantencomputing

Rastertunnelmikroskope werden zur Oberflächenuntersuchung mit atomarer Auflösung im Bereich von Angström genutzt. Damit eignen sie sich gut, um Quanteneffekte näher zu untersuchen und potenzielle Materialien für Quantensensoren und Quantencomputer zu identifizieren. Eine zentrale Aufgabe der Forschung ist die Suche nach Materialien und Prozessen, die komplexe Architekturen mit stabilen Quantenbits ermöglichen. »Ich glaube, ein vielseitiges Mikroskop wie unseres ist das Mittel der Wahl für diese faszinierende Aufgabe, weil es die Abbildung und Manipulation von Materie auf der Ebene einzelner Atome und Moleküle auf vielfältige Art und Weise ermöglicht«, meint Prof. Temirov. Durch das aktuell hohe Interesse aus Industrie, Forschung und Politik an Quantentechnik dürfte das Angebot auf eine hohe Nachfrage stoßen.

Vorgestellt wurde die Arbeit in der Fachzeitschrift Review of Scientific Instruments:

Taner Esat, Peter Borgens, Xiaosheng Yang, Peter Coenen, Vasily Cherepanov, Andrea Raccanelli, F. Stefan Tautz, Ruslan Temirov: A millikelvin scanning tunneling microscope in ultra-high vacuum with adiabatic demagnetization refrigeration.
Review of Scientific Instruments 92, 063701 (2021); DOI: https://doi.org/10.1063/5.0050532


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