Un microscope à effet tunnel unique avec refroidissement magnétique pour l’étude des effets quantiques


Des physiciens développent un microscope à effet tunnel unique avec refroidissement magnétique pour étudier les effets quantiques

Prof. Stefan Tautz (en bas à gauche), Dr. Taner Esat (en haut à gauche) et le professeur Ruslan Temirov (à droite) au quantique de Jülich Crédits photo : Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Les microscopes à à balayage capturent des images de matériaux avec une précision atomique et peuvent être utilisés pour manipuler des molécules ou des atomes individuels. Les chercheurs utilisent les instruments depuis de nombreuses années pour explorer le monde des phénomènes nanoscopiques. Une nouvelle approche des physiciens du Forschungszentrum Jülich crée désormais de nouvelles possibilités d’utilisation des appareils pour étudier les effets quantiques. Grâce au magnétique, votre microscope à effet tunnel fonctionne sans pièces mobiles et est pratiquement sans vibration à des températures extrêmement basses allant jusqu’à 30 millikelvin. L’instrument peut aider les chercheurs à découvrir les propriétés extraordinaires des matériaux quantiques, qui sont cruciales pour le développement des ordinateurs et des capteurs quantiques.

Les physiciens considèrent la plage de température proche du zéro absolu comme un domaine de recherche particulièrement passionnant. Les fluctuations thermiques sont réduites au minimum. Les lois de la physique quantique entrent en jeu et révèlent des propriétés particulières des matériaux. Le courant électrique circule alors librement sans résistance. Un autre exemple est un phénomène appelé superfluidité : des atomes individuels fusionnent dans un état collectif et se déplacent les uns contre les autres sans friction.

Ces températures extrêmement basses sont également nécessaires pour rechercher et utiliser les effets quantiques pour l’informatique quantique. Des chercheurs du monde entier et du Forschungszentrum Jülich poursuivent actuellement cet objectif à toute vitesse. Les ordinateurs quantiques pourraient être de loin supérieurs aux superordinateurs conventionnels dans certaines tâches. Cependant, le développement en est encore à ses balbutiements. Un défi central est de trouver des matériaux et des processus qui permettent des architectures complexes avec des bits quantiques stables.

« Je pense qu’un microscope polyvalent comme le nôtre est l’outil de choix pour cette tâche fascinante, car il permet de visualiser et de manipuler la matière de diverses manières au niveau des atomes et des molécules individuels », explique Ruslan Temirov du Forschungszentrum Jülich.

Des physiciens développent un microscope à effet tunnel unique avec refroidissement magnétique pour étudier les effets quantiques

Un objet de recherche typique en physique quantique : une seule molécule peut être vue au milieu, qui a été séparée à l’aide de la pointe du microscope. A des températures proches du zéro absolu, aucun bruit ne vient perturber l’. Image : Centre de recherche Jülich / Taner Esat, Ruslan Temirov

Pendant des années, lui et son équipe ont équipé à cet effet un microscope à effet tunnel avec refroidissement magnétique. « Notre nouveau microscope diffère de tous les autres de la même manière qu’une voiture électrique diffère d’un véhicule à moteur thermique », explique le physicien de Jülich. Pour amener les microscopes à des températures aussi basses, les chercheurs se sont jusqu’à présent appuyés sur un type de combustible liquide, un mélange de deux isotopes d’hélium. « Pendant le fonctionnement, ce mélange de refroidissement circule en permanence dans des tuyaux minces, ce qui entraîne une augmentation du bruit de fond », explique Temirov.

Le dispositif de refroidissement du microscope de Jülich, quant à lui, est basé sur le processus de démagnétisation adiabatique. Le principe n’est pas nouveau. Il a été utilisé dans les années 1930 pour atteindre des températures inférieures à 1 Kelvin pour la première fois en laboratoire. Cela présente plusieurs avantages pour les microscopes opératoires, explique Ruslan Temirov : « Avec cette méthode, nous pouvons refroidir notre nouveau microscope en modifiant simplement la force du courant électrique circulant dans une bobine électromagnétique. Ainsi, notre microscope n’a pas de pièces mobiles et est pratiquement sans vibration. »

Les scientifiques de Jülich ont construit pour la première fois un microscope à effet tunnel avec cette technologie. « La nouvelle technologie de refroidissement présente plusieurs avantages pratiques. Cela améliore non seulement la qualité de l’image, mais simplifie également le fonctionnement de l’ensemble de l’instrument et de toute la structure », explique Stefan Tautz, directeur de l’institut. Grâce à sa structure modulaire, le microscope quantique de Jülich reste ouvert à d’autres développements techniques, car les mises à niveau sont faciles à mettre en œuvre.

« Le refroidissement adiabatique est un véritable saut quantique pour la microscopie à effet tunnel. Les avantages sont si grands que nous développons maintenant un prototype commercial à l’étape suivante », explique Stefan Tautz. Les technologies quantiques font actuellement l’objet de nombreuses recherches. L’intérêt de nombreux groupes de recherche pour un tel instrument est assuré.

La recherche a été publiée dans Examen des instruments scientifiques.


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Plus d’information:
Taner Esat et al., Microscope à effet tunnel Millikelvin sous ultravide avec refroidissement par démagnétisation adiabatique, Examen des instruments scientifiques (2021). DOI : 10.1063 / 5.0050532

Fourni par Forschungszentrum Jülich

Citation: Un microscope à effet tunnel à balayage avec refroidissement magnétique pour l’étude des effets quantiques (2021, 31 août), consulté le 1er septembre 2021 sur https://phys.org/news/2021-08-unique-scanning-tunneling-microscope-magnetic .html

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