關(guān)鍵詞：低溫位移臺(tái)；近場(chǎng)掃描微波顯微鏡； 稀釋制冷機(jī)

背景介紹

       掃描隧道顯微鏡（STM）^[1]和原子力顯微鏡（AFM）^[2]等基于掃描探針顯微術(shù)（SPM）的出現(xiàn)使得科學(xué)家能夠在納米分辨率下去研究更多材料的物理性及圖形。以這些技術(shù)為基礎(chǔ)的納米技術(shù)、材料和表面科學(xué)的迅速發(fā)展，惡劣地推動(dòng)了通用和無損納米尺度分析工具的需求。尤其對(duì)于快速增長(zhǎng)的量子器件技術(shù)域，需要開發(fā)與這些器件本身在同區(qū)域（即量子相干區(qū)域）中能夠兼容的SPM技術(shù)。然而，迄今為止，能夠與樣品進(jìn)行量子相干相互作用的納米尺度表征的工具仍非常有限。別是在微波頻率下，光子能量比光波長(zhǎng)小幾個(gè)數(shù)量，加之缺乏單光子探測(cè)器和對(duì)mK惡劣溫度的嚴(yán)格要求，更是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。近年來，固態(tài)量子技術(shù)飛速發(fā)展迫切需要能夠在此惡劣條件下運(yùn)行的SPM探測(cè)技術(shù)。

技術(shù)核心

       近場(chǎng)掃描微波顯微技術(shù)（NSMM）^[3]結(jié)合了微波表征和STM或AFM的勢(shì)，通過使用寬帶或共振探頭來實(shí)現(xiàn)探測(cè)。在近場(chǎng)模式下，空間分辨率主要取決于SPM針尖尺寸，可以突破衍射限的限制，獲得納米別的高分辨率圖像。NSMM的各種實(shí)現(xiàn)方式已被廣泛應(yīng)用于非接觸式的探測(cè)半導(dǎo)體器件^[4]，材料中的缺陷^[5]、生物樣品的表面^[6]及亞表面分析，以及高溫超導(dǎo)性^[7]的研究。但是在低溫量子信息域中的應(yīng)用還鮮有報(bào)道。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室NPL的塞巴斯蒂安·德·格拉夫（Sebastian de Graaf）小組與英國(guó)倫敦大學(xué)謝爾蓋·庫巴金（Sergey Kubatkin）教授小組合作開發(fā)了種在30 mK下工作的新型低溫近場(chǎng)掃描微波顯微鏡，同時(shí)，該顯微鏡還結(jié)合了高達(dá)6 GHz的微波表征和AFM技術(shù)，旨在滿足量子技術(shù)域的新興需求。

       整個(gè)系統(tǒng)置于臺(tái)稀釋制冷機(jī)中（如圖1（b）所示），NSMM顯微鏡的示意圖如圖1（a）所示：在石英音叉上附著了個(gè)平均光子占有率為~1的超導(dǎo)分形諧振器。個(gè)可移動(dòng)的共面波導(dǎo)被用來感應(yīng)耦合到諧振器上進(jìn)行微波的發(fā)射和信號(hào)的讀出。整個(gè)系統(tǒng)的核心是德國(guó)attocube公司提供的兼容低溫的鈹銅材質(zhì)的納米精度位移臺(tái)，該小組使用組ANPx100和ANPz100納米位移器將樣品與針尖在x，y和z方向上對(duì)齊，同時(shí)使用個(gè)小的ANPz51納米位移器進(jìn)行RF波導(dǎo)的納米定位和耦合。

圖1.（a）NSMM顯微鏡的示意圖。（b） 稀釋制冷機(jī)中彈簧和彈簧懸掛的NSMM示意圖。

測(cè)量結(jié)果

       如圖2所示，Sebastian教授演示了在單光子區(qū)域中以納米分辨率進(jìn)行掃描的結(jié)果。掃描的區(qū)域與在硅襯底上形成鋁圖案的樣品相同。掃描顯示三個(gè)金屬正方形（2×2μm²）與兩個(gè)較大的結(jié)構(gòu)相鄰，形成個(gè)叉指電容器。叉指電容器的每個(gè)金手指有1 μm的寬度和間距，盡管在圖2中，由于尖duan的形狀，這些距離看起來不同。

圖2. 在30 mK下掃描具有相鄰金屬墊的交叉指電容器.（a）得到的AFM形貌圖。（b） 單光子微波掃描（~1）顯示了微波諧振腔的頻移,微波掃描速度為0.67 μm/s.（c）高功率微波掃描結(jié)果（~270）。（d） 在調(diào)諧叉頻率（30 kHz）下解調(diào)的PDH誤差信號(hào)，與dfr/dz（~270）成正比。（e） 掃描獲得的信噪比（SNR）作為平均光子數(shù)的函數(shù)。

attocube低溫位移臺(tái)

       德國(guó)attocube公司是上著名的惡劣環(huán)境納米精度位移器制造公司。擁有20多年的高精度低溫納米位移臺(tái)的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。公司已經(jīng)為各地科學(xué)家提供了5000多套位移系統(tǒng)，用戶遍及著名的研究所和大學(xué)。它生產(chǎn)的位移器設(shè)計(jì)緊湊，體積小，種類包括線性XYZ線性位移器、大角度傾角位移器、360度旋轉(zhuǎn)位移器和掃描器。德國(guó)attocube公司的位移器以穩(wěn)定而異的性能、原子的定位精度、納米位移步長(zhǎng)和厘米位移范圍深受科學(xué)家的肯定和贊譽(yù)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于普通大氣環(huán)境和惡劣環(huán)境中，包括超高環(huán)境(5E-11 mbar)、低溫環(huán)境（10mK）和強(qiáng)磁場(chǎng)中（31 Tesla）。

圖3. attocube低溫強(qiáng)磁場(chǎng)納米精度位移器，掃描器，3DR

主要參數(shù)及技術(shù)點(diǎn)

參考文獻(xiàn)：

[1]. Binnig, G., Rohrer, H., Gerber, C. & Weibel, E. Surface studies by scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982).

[2]. Binnig, G., Quate, C. F. & Gerber, C. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).

[3]. Bonnell, D. A. et al. Imaging physical phenomena with local probes: From electrons to photons. Rev. Mod. Phys. 84, 1343 (2012).

[4]. Kundhikanjana, W., Lai, K., Kelly, M. A. & Shen, Z. X. Cryogenic microwave imaging of metalinsulator transition in doped silicon. Rev. Sci. Instrum. 82, 033705 (2011).

[5]. Gregory, A. et al. Spatially resolved electrical characterization of graphene layers by an evanescent field microwave microscope. Physica E 56, 431 (2014).

[6]. Gregory, A. et al. Spatially resolved electrical characterization of graphene layers by an evanescent field microwave microscope. Physica E 56, 431 (2014).

[7]. Lann, A. F. et al. Magnetic-field-modulated microwave reectivity of high-Tc superconductors studied by near-field mm-wave. microscopy. Appl. Phys. Lett. 75, 1766 (1999).

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