Prof. Stefan Tautz (in basso a sinistra), Il dottor Taner Esat (a sinistra sopra) e il prof. Ruslan Temirov (a destra) al microscopio quantistico Jülich Credito:Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
I microscopi a scansione a effetto tunnel catturano immagini di materiali con precisione atomica e possono essere utilizzati per manipolare singole molecole o atomi. I ricercatori utilizzano gli strumenti da molti anni per esplorare il mondo dei fenomeni nanoscopici. Un nuovo approccio dei fisici del Forschungszentrum Jülich sta ora creando nuove possibilità per utilizzare i dispositivi per studiare gli effetti quantistici. Grazie al raffreddamento magnetico, il loro microscopio a scansione a effetto tunnel funziona senza parti mobili ed è quasi privo di vibrazioni a temperature estremamente basse fino a 30 millikelvin. Lo strumento può aiutare i ricercatori a sbloccare le eccezionali proprietà dei materiali quantistici, fondamentali per lo sviluppo di computer e sensori quantistici.
I fisici considerano l'intervallo di temperatura vicino allo zero assoluto un'area particolarmente interessante per la ricerca. Le fluttuazioni termiche sono ridotte al minimo. Le leggi della fisica quantistica entrano in gioco e rivelano proprietà speciali dei materiali. La corrente elettrica quindi scorre liberamente senza alcuna resistenza. Un altro esempio è un fenomeno chiamato superfluidità:i singoli atomi si fondono in uno stato collettivo e si muovono l'uno accanto all'altro senza attrito.
Queste temperature estremamente basse sono necessarie anche per ricercare e sfruttare gli effetti quantistici per l'informatica quantistica. I ricercatori di tutto il mondo e del Forschungszentrum Jülich stanno attualmente perseguendo questo obiettivo a pieno ritmo. I computer quantistici potrebbero essere di gran lunga superiori ai supercomputer convenzionali per determinati compiti. Però, lo sviluppo è ancora agli inizi. Una sfida chiave è trovare materiali e processi che rendano possibili architetture complesse con bit quantici stabili.
"Credo che un microscopio versatile come il nostro sia lo strumento prescelto per questo affascinante compito, perché consente di visualizzare e manipolare la materia a livello di singoli atomi e molecole in molti modi diversi, " spiega Ruslan Temirov del Forschungszentrum Jülich.
Un tipico oggetto di ricerca in fisica quantistica:Al centro, si vede una singola molecola, che è stato separato con l'aiuto della punta del microscopio. A temperature prossime allo zero assoluto, non c'è rumore a disturbare l'immagine. Credito:Forschungszentrum Jülich / Taner Esat, Ruslan Temirov
In anni di lavoro, lui e il suo team hanno dotato a questo scopo un microscopio a scansione a effetto tunnel con raffreddamento magnetico. "Il nostro nuovo microscopio differisce da tutti gli altri in modo simile a come un'auto elettrica differisce da un veicolo con motore a combustione, " spiega il fisico Jülich. Fino ad ora, i ricercatori hanno fatto affidamento su una sorta di combustibile liquido, una miscela di due isotopi di elio, portare i microscopi a temperature così basse. "Durante l'operazione, questa miscela di raffreddamento circola continuamente attraverso tubi sottili, che porta ad un aumento del rumore di fondo, "dice Temirov.
Il dispositivo di raffreddamento del microscopio di Jülich, d'altra parte, si basa sul processo di smagnetizzazione adiabatica. Il principio non è nuovo. È stato utilizzato negli anni '30 per raggiungere per la prima volta in laboratorio temperature inferiori a 1 kelvin. Per il funzionamento dei microscopi, ha diversi vantaggi, dice Ruslan Temirov:"Con questo metodo, possiamo raffreddare il nostro nuovo microscopio semplicemente modificando l'intensità della corrente elettrica che passa attraverso una bobina elettromagnetica. Così, il nostro microscopio non ha parti mobili ed è praticamente privo di vibrazioni."
Gli scienziati Jülich sono i primi in assoluto ad aver costruito un microscopio a scansione a effetto tunnel utilizzando questa tecnica. "La nuova tecnologia di raffreddamento presenta numerosi vantaggi pratici. Non solo migliora la qualità delle immagini, ma il funzionamento dell'intero strumento e l'intero setup sono semplificati, " afferma il direttore dell'istituto Stefan Tautz. Grazie al suo design modulare, anche il microscopio quantistico Jülich rimane aperto ai progressi tecnici, Aggiunge, poiché gli aggiornamenti possono essere facilmente implementati.
"Il raffreddamento adiabatico è un vero salto di qualità per la microscopia a scansione a effetto tunnel. I vantaggi sono così significativi che ora stiamo sviluppando un prototipo commerciale come nostro prossimo passo, " Spiega Stefan Tautz. Le tecnologie quantistiche sono attualmente al centro di molte ricerche. L'interesse di molti gruppi di ricerca per uno strumento del genere è quindi assicurato.
La ricerca è stata pubblicata in Rassegna di strumenti scientifici .
