扫描隧道显微镜(STM)能以原子精度捕获材料图像，并可用于操作单个分子或原子。多年来，研究人员一直使用这种仪器来探索纳米世界的现象。 德国尤利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)物理学家开发的一种新方法现正为使用这种设备研究量子效应创造了新的可能性。由于采用磁冷却，他们的扫描隧道显微镜无需使用任何移动部件即可工作，并且在低至30mK的极低温度下几乎无振动。该仪器可以帮助研究人员解锁量子材料的特殊特性，这对量子计算机和量子传感器的发展至关重要。

绝对零度附近的区域对物理学来说尤其令人兴奋。在这种低温下，热波动降至最低。量子物理定律开始发挥作用，这会揭示材料的特殊性质。然后电流可以自由流动，且没有任何阻力。另一个例子是一种被称为超流动性的现象：单个原子融合成一个集体状态，并在没有摩擦的情况下相互移动。

这种极低温度也是研究量子计算的量子效应并使其可用的先决条件。世界各地和德国尤利希研究中心的研究人员目前正在全速追求这一目标。量子计算机在某些任务上可能大大优于传统的超级计算机。但其发展仍处于起步阶段。一个核心挑战是寻找材料和工艺，使具有稳定量子比特的复杂架构成为可能。

来自德国尤利希研究中心的物理学家Ruslan Temirov解释说：“我认为像我们这样的多功能显微镜是完成这项迷人任务的首选手段，因为它能够以多种方式在单个原子和分子的水平上对物质进行成像和操控。”

经过多年的努力工作，Temirov和他的团队配备了具有磁冷却功能的扫描隧道显微镜。Temirov说：“我们的新显微镜不同于其他所有的显微镜，就像电动汽车不同于内燃机一样。到目前为止，一种特殊的液体，即两种氦同位素的混合物，已被用于将显微镜带到如此低的温度。在运动过程中，这种冷却混合物不断地通过细管循环，但这会导致背景噪声增加。”

另一方面，Jülich显微镜的冷却装置基于绝热退磁过程。这个原理并不新鲜，它早在20世纪三十年代就已被用于实验室中，并首次实现了低于1K的温度。Ruslan Temirov说：“为了冷却设备，我们只改变流过电磁线圈的电流强度。我们的显微镜没有活动部件，可以几乎无振动的工作。”

Jülich团队是第一个使用该技术构建扫描隧道显微镜的团队。Jülich研究所所长Stefan Tautz说：“新的冷却技术在实践中具有多项优势。不仅图像质量受益于此，设备的操作和整个结构也得到了简化。”凭借其模块化的设计，Jülich量子显微镜也对技术进步持开放态度，因为升级易于实施。Stefan Tautz解释说：“绝热冷却是扫描隧道显微镜的真正飞跃。其优势非常显著，我们现在正在开发商业用的原型机。”量子技术是目前研究的重点。因此，许多研究小组肯定会对这种工具感兴趣。（编译:Qtech）