關鍵詞：低溫位移臺；近場掃描微波顯微鏡； 稀釋制冷機

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（SPM）的出現(xiàn)使得科學家能夠在納米分辨率下去研究更多材料的物理性及圖形。以這些技術為基礎的納米技術、材料和表面科學的迅速發(fā)展，惡劣地推動了通用和無損納米尺度分析工具的需求。尤其對于快速增長的量子器件技術域，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。然而，迄今為止，能夠與樣品進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，光子能量比光波長小幾個數(shù)量，加之缺乏單光子探測器和對mK惡劣溫度的嚴格要求，更是個巨大的挑戰(zhàn)。近年來，固態(tài)量子技術飛速發(fā)展迫切需要能夠在此惡劣條件下運行的SPM探測技術。

技術核心

       近場掃描微波顯微技術（NSMM）^[3]結合了微波表征和STM或AFM的勢，通過使用寬帶或共振探頭來實現(xiàn)探測。在近場模式下，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的各種實現(xiàn)方式已被廣泛應用于非接觸式的探測半導體器件^[4]，材料中的缺陷^[5]、生物樣品的表面^[6]及亞表面分析，以及高溫超導性^[7]的研究。但是在低溫量子信息域中的應用還鮮有報道。英國國家物理實驗室NPL的塞巴斯蒂安·德·格拉夫（Sebastian de Graaf）小組與英國倫敦大學謝爾蓋·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掃描微波顯微鏡，同時，該顯微鏡還結合了高達6 GHz的微波表征和AFM技術，旨在滿足量子技術域的新興需求。

       整個系統(tǒng)置于臺稀釋制冷機中（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平均光子占有率為~1的超導分形諧振器。個可移動的共面波導被用來感應耦合到諧振器上進行微波的發(fā)射和信號的讀出。整個系統(tǒng)的核心是德國attocube公司提供的兼容低溫的鈹銅材質的納米精度位移臺，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方向上對齊，同時使用個小的ANPz51納米位移器進行RF波導的納米定位和耦合。

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

測量結果

       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行掃描的結果。掃描的區(qū)域與在硅襯底上形成鋁圖案的樣品相同。掃描顯示三個金屬正方形（2×2μm²）與兩個較大的結構相鄰，形成個叉指電容器。叉指電容器的每個金手指有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）高功率微波掃描結果（~270）。（d） 在調諧叉頻率（30 kHz）下解調的PDH誤差信號，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

       德國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的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗。公司已經(jīng)為各地科學家提供了5000多套位移系統(tǒng)，用戶遍及著名的研究所和大學。它生產(chǎn)的位移器設計緊湊，體積小，種類包括線性XYZ線性位移器、大角度傾角位移器、360度旋轉位移器和掃描器。德國attocube公司的位移器以穩(wěn)定而異的性能、原子的定位精度、納米位移步長和厘米位移范圍深受科學家的肯定和贊譽。產(chǎn)品廣泛應用于普通大氣環(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）和強磁場中（31 Tesla）。

圖3. attocube低溫強磁場納米精度位移器，掃描器，3DR

主要參數(shù)及技術點

參考文獻：

[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).

更多文章信息請點擊：https://doi.org/10.1038/s41598-019-48780-3