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國際首個!中科院合肥研究院成功研制混合磁體掃描隧道顯微鏡

2020-08-09 17:46:24 IT之家 騎士 編輯:麗麗 瀏覽數:45摩信網

IT之家6 月 16 日消息  據合肥發布、科學島在線報道,近期,中科院合肥研究院強磁場中心陸輕鈾課題組在國際上首次研制成功混合磁體極端條件下原子分辨掃描隧道顯微鏡(STM),相關研究成果發表在顯微鏡領域著名期...

IT之家6 月 16 日消息  據合肥發布、科學島在線報道,近期,中科院合肥研究院強磁場中心陸輕鈾課題組在國際上首次研制成功混合磁體極端條件下原子分辨掃描隧道顯微鏡(STM),相關研究成果發表在顯微鏡領域著名期刊 Ultramicroscopy 和著名儀器刊物 Review of Scientific Instruments 上。此工作為利用混合磁體搭配 STM 開展原子分辨成像研究鋪平了道路,對于突破當前超強磁場下只能開展輸運等宏觀平均效果測量之瓶頸,進入到廣闊的物性微觀起源探索領域,具有標志性意義。

磁場是一種極端條件,對新物性的探索越強越好。磁場環境下,科研人員發現了許多重要的物理現象,包括整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、巨磁阻效應等。目前最強的穩態磁場是通過混合磁體獲得的。由于混合磁體運行過程強振動的干擾,國際上只能應用其開展如輸運、磁性、磁光等宏觀平均效果的測量。但實空間原子分辨測量更接近于揭示物性的微觀量子起源,是宏觀測量完全不可替代的,在新的電子材料 / 納米材料、新物性、新理論探索中發揮決定性的作用。STM 可以實現實空間原子分辨測量。

混合磁體 STM 系統:(a)混合磁體照片;(b)混合磁體 STM 系統簡圖;(c)STM 鏡體;(i-iv)分別為 0T、21.3T、28.3T、30.1T 磁場強度下石墨的原子分辨 STM 圖像。

IT之家了解到,強磁場中心的混合磁體由一個內水冷磁體和大口徑的外超導磁體嵌套組成。其中,內水冷磁體的孔徑僅為 32 毫米,這為置入其內的 STM 設置了苛刻的空間限制,而外超導磁體的超大孔徑(低溫 920 毫米)又不可避免地產生巨大的雜散場,使得 STM 的電子學測量裝置需要放在距磁體中心 8 米遠的位置。除雜散場影響之外,內水冷磁體運行時冷卻水流帶來的強振動和聲音干擾也給 STM 的原子分辨測量帶來了極大的困難。在本工作之前,在混合磁體環境下能夠獲得原子分辨的 STM 測量未見有報道。

陸輕鈾課題組長期致力于惡劣條件下的 STM 研制工作,先后研制出了適用于狹小空間惡劣振動環境原子分辨成像的多種高剛性高穩定的緊湊型壓電馬達,并用其建成了多種惡劣條件原子分辨 STM,獲得了 30 余項國家發明專利的授權。在典型的狹小空間、強振動環境下,課題組近期已研制成功 20 毫米孔徑連續流液氦恒溫器 STM、國際首個水冷磁體(32 毫米孔徑,27 特斯拉)STM 和首個干式(無液氦)超導磁體 STM,均獲得了高質量的原子分辨圖像,相關成果分別發表于 Review of Scientific Instruments 、Nano Research、和 Ultramicroscopy 上。

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