近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究團隊在新一代無液氦低溫掃描探針顯微鏡研制方面取得成果，成功研制了一套無液氦亞3K低溫掃描探針顯微系統(tǒng)。研究成果以“無液氦亞3 K低溫掃描探針顯微鏡的研制”為題，于2023年9月6日發(fā)表在《科學儀器評論》上。
在凝聚態(tài)物理研究中，低溫環(huán)境扮演著非常重要的角色，是對多體系統(tǒng)中強相互作用的復雜行為開展深入研究的必要條件。目前低溫環(huán)境重要依賴于液氦提供。然而液氦是一種非常稀缺且昂貴的資源，隨著液氦資源日趨緊張，發(fā)展無液氦制冷技術勢在必行。磁共振成像、超導磁體等儀器設備已經(jīng)實現(xiàn)了無液氦化，而在掃描探針顯微系統(tǒng)(SPM)上，一方面單級制冷的基礎溫度僅能達約5 K水平，另一方面制冷劑需要安裝在掃描單元附近，其震動對成像有顯著影響。因此低溫SPM的無液氦化仍然面臨著較大困難。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心郇慶研究團隊(N13組)和高鴻鈞院士研究團隊(N04組)長期合作，在掃描探針顯微鏡技術上取得過多項重大突破。為解決無液氦低溫SPM技術，兩個研究團隊聯(lián)合中科艾科米(北京)科技有限公司、北京飛斯科科技有限公司、中國科學院半導體研究所的研發(fā)人員經(jīng)過幾年攻關，終于成功研制出了無液氦亞3K低溫SPM系統(tǒng)。
據(jù)介紹，該系統(tǒng)將低頻大幅震動的制冷機安裝在遠端的獨立制冷腔體，解決了目前無液氦低溫掃描探針顯微鏡存在的兩方面問題。在溫度上，實現(xiàn)了~2.8K的基礎溫度、接近±0.1mK的溫度穩(wěn)定性、小于10pm/h的溫度漂移，保證了穩(wěn)定的低溫環(huán)境。在震動上，震動水平約1pm，對成像的影響大幅減小。經(jīng)過驗證，該系統(tǒng)能夠從低溫到室溫寬溫區(qū)內(nèi)連續(xù)變溫成像。
與現(xiàn)有的無液氦方案相比，該系統(tǒng)僅需少量氦氣(~10 L)即可實現(xiàn)3K以下基礎溫度，并可長時間連續(xù)運行，震動水平與濕式系統(tǒng)相當；利用此遠端液化 4He方案預冷3He方便實現(xiàn)亞開爾文范圍拓展；與強磁場、光學通路等其他物理環(huán)境的良好兼容性，顯著降低來自制冷機的電磁干擾；便捷地將現(xiàn)有濕式SPM系統(tǒng)改造為無液氦SPM，并可應用在其他需求低溫且對振動敏感的領域。
世界范圍內(nèi)的液氦短缺對部分依賴低溫環(huán)境運行的儀器設備帶來了較大影響，這項研究成果采用創(chuàng)新的制冷技術，不僅徹底解決了現(xiàn)有無液氦SPM方案近端安裝制冷機的不足，還可應用于其它需求低溫且振動敏感的領域，如精密光譜測量、低維材料的微弱電學信息表征等，將助力我國減少對液氦資源的依賴。
資料來源：中國科學院物理研究所
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