Imagens de átomos únicos. Ele mapeia colinas e vales em escala atômica em superfícies metálicas e isolantes. E registra o fluxo de corrente através de materiais finos como átomos sujeitos a campos magnéticos gigantes. Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um novo instrumento que pode fazer três tipos de medições na escala de átomos simultaneamente. Juntas, essas medições podem descobrir novos conhecimentos sobre uma ampla gama de materiais especiais que são cruciais para o desenvolvimento da próxima geração de computadores quânticos, comunicações e uma série de outras aplicações.
De smartphones a multicookers, os dispositivos que executam várias funções geralmente são mais convenientes e potencialmente menos dispendiosos do que as ferramentas de uso único que substituem, e suas múltiplas funções geralmente funcionam melhor em conjunto do que separadamente. O novo instrumento três em um é um tipo de canivete suíço para medições em escala de átomos. O pesquisador do NIST Joseph Stroscio e seus colegas, incluindo Johannes Schwenk e Sungmin Kim, apresentam uma receita detalhada para a construção do dispositivo na Review of Scientific Instruments.
“Descrevemos um plano para outras pessoas copiarem”, disse Stroscio. “Eles podem modificar os instrumentos que possuem; não precisam comprar novos equipamentos”.
Ao realizar medições simultaneamente em escalas que variam de nanômetros a milímetros, o instrumento pode ajudar os pesquisadores a descobrir as origens atômicas de várias propriedades incomuns em materiais que podem ser inestimáveis ??para uma nova geração de computadores e dispositivos de comunicação. Essas propriedades incluem o fluxo sem resistência da corrente elétrica, saltos quânticos na resistência elétrica que poderiam servir como novos interruptores elétricos e novos métodos para projetar bits quânticos, o que poderia levar a computadores quânticos baseados em estado sólido.
“Ao conectar o atômico à grande escala, podemos caracterizar os materiais de uma maneira que não conseguimos antes”, disse Stroscio.
Embora as propriedades de todas as substâncias tenham suas raízes na mecânica quântica – as leis físicas que governam o reino liliputiano de átomos e elétrons – os efeitos quânticos podem frequentemente ser ignorados em grandes escalas, como o mundo macroscópico que vivemos todos os dias. Mas, para uma classe altamente promissora de materiais conhecidos como materiais quânticos, que normalmente consistem em uma ou mais camadas atomicamente finas, fortes efeitos quânticos entre grupos de elétrons persistem por grandes distâncias e as regras da teoria quântica podem dominar mesmo em escalas de comprimento macroscópicas. Esses efeitos levam a propriedades notáveis ??que podem ser aproveitadas para novas tecnologias.
Para estudar essas propriedades com mais precisão, Stroscio e seus colegas combinaram em um único instrumento um trio de dispositivos de medição de precisão. Dois dos dispositivos, um microscópio de força atômica (AFM) e um microscópio de tunelamento (STM), examinam propriedades microscópicas de sólidos, enquanto a terceira ferramenta registra a propriedade macroscópica do transporte magnético – o fluxo de corrente na presença de um campo magnético .
“Nenhum tipo único de medição fornece todas as respostas para a compreensão de materiais quânticos”, disse o pesquisador do NIST Nikolai Zhitenev. “Este dispositivo, com várias ferramentas de medição, fornece uma imagem mais abrangente desses materiais”.
Para construir o instrumento, a equipe do NIST projetou um AFM e um dispositivo de medição de transporte magnético mais compactos e com menos partes móveis que as versões anteriores. Eles então integraram as ferramentas a um STM existente.
Tanto um STM quanto um AFM usam uma ponta afiada para examinar a estrutura de superfícies em escala atômica. Um STM mapeia a topografia das superfícies metálicas colocando a ponta dentro de uma fração de um nanômetro (bilionésimo de metro) do material em estudo. Ao medir o fluxo de elétrons que sai da superfície do metal à medida que a ponta afiada paira logo acima do material, o STM revela os montes e vales em escala atômica da amostra.
Por outro lado, um AFM mede forças por mudanças na frequência em que sua ponta oscila enquanto paira sobre uma superfície. (A ponta é montada em um cantilever em miniatura, o que permite que a sonda balance livremente.) A frequência de oscilação muda à medida que a sonda afiada detecta forças, como a atração entre moléculas ou as forças eletrostáticas na superfície do material. Para medir o transporte magnético, uma corrente é aplicada através de uma superfície imersa em um campo magnético conhecido. Um voltímetro registra a voltagem em diferentes locais do dispositivo, revelando a resistência elétrica do material.
O conjunto é montado dentro de um criostato, um dispositivo que resfria o sistema até um centésimo de grau acima do zero absoluto. A essa temperatura, o tremor quântico aleatório das partículas atômicas é minimizado e os efeitos quânticos em larga escala tornam-se mais pronunciados e fáceis de medir. O dispositivo três em um, protegido contra ruídos elétricos externos, também é cinco a 10 vezes mais sensível do que qualquer conjunto anterior de instrumentos similares, aproximando-se do limite fundamental de ruído quântico que pode ser ativado.
O conjunto é montado dentro de um criostato, um dispositivo que resfria o sistema até um centésimo de grau acima do zero absoluto. A essa temperatura, o tremor quântico aleatório das partículas atômicas é minimizado e os efeitos quânticos em larga escala tornam-se mais pronunciados e fáceis de medir. O dispositivo três em um, que é protegido contra ruídos elétricos externos, também é cinco a 10 vezes mais sensível que qualquer conjunto anterior de instrumentos similares, aproximando-se do limite fundamental de ruído quântico que pode ser alcançado em baixas temperaturas.
Embora seja possível que três instrumentos totalmente independentes – um STM, um AFM e um sistema de transporte magnético – façam as mesmas medições, inserir e retrair cada ferramenta pode perturbar a amostra e diminuir a precisão da análise. Instrumentos separados também podem dificultar a replicação das condições exatas, como temperatura e ângulo de rotação entre cada camada ultrafina do material quântico, sob as quais foram feitas medições anteriores.
Para atingir o objetivo de um instrumento três em um com alta sensibilidade, a equipe do NIST fez parceria com uma equipe internacional de especialistas, incluindo Franz Giessibl, da Universidade de Regensburg, Alemanha, que inventou um AFM altamente eficaz conhecido como qPlus AFM. A equipe escolheu um design compacto que aumentou a rigidez do microscópio e equipou o sistema com uma série de filtros para filtrar o ruído de radiofrequência. A agulha atomicamente fina do STM dobrou como sensor de força para o AFM, que foi baseado em um novo design de sensor de força criado por Giessibl para o instrumento três em um.
Para Stroscio, pioneiro na construção de STMs cada vez mais sofisticados, o novo dispositivo é um pináculo em uma carreira de mais de três décadas na microscopia de varredura por sonda. Sua equipe, observou ele, luta há vários anos para reduzir drasticamente o ruído elétrico em suas medições. “Agora alcançamos a resolução final dada pelos limites térmicos e quânticos neste novo instrumento”, disse Stroscio.
“Parece que eu subi o pico mais alto das montanhas rochosas”, acrescentou. “É uma boa síntese de tudo o que aprendi nos últimos 30 anos”.
Publicado em 07/07/2020 11h08
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