Avanzamenti nella microscopia a sonda a scansione senza criogeni

I microscopi a scansione a bassa temperatura (SPMs) sono strumenti importanti per studiare materiali quantistici e scienza dell'informazione quantistica. Con l'aumento dei costi dell'elio, i ricercatori cercano alternative ai sistemi tradizionali basati su criogeni. I criostati senza criogeni stanno diventando più popolari, ma di solito hanno più Vibrazioni rispetto ai sistemi basati su criogeni. È fondamentale capire e ridurre queste vibrazioni per applicazioni efficaci degli SPM.

Questo articolo presenta due SPM a refrigerazione a diluizione senza criogeni costruiti con minime modifiche alle loro impostazioni di fabbrica. Abbiamo esaminato sistematicamente le loro prestazioni in termini di vibrazioni.

Abbiamo misurato le vibrazioni al piano del microscopio usando geofoni. Inoltre, abbiamo usato la microscopia a impedenza microonde e un Transistor a singolo elettrone a scansione per misurare le vibrazioni punta-campione. Abbiamo anche progettato filtraggio personalizzato e schemi di ancoraggio termico per misurare la Potenza di raffreddamento e la temperatura dell'elettrone della punta.

Questo lavoro serve come risorsa per i ricercatori interessati agli SPM senza criogeni, poiché la caratterizzazione dettagliata spesso manca nella letteratura esistente o da parte dei produttori.

#Panoramica dei Refrigeratori a Diluizione

Lo sviluppo del Refrigeratore a diluizione elio-4/elio-3 è stato un significativo avanzamento per esperimenti a temperature molto basse. Questi refrigeratori usano una miscela di elio-4 ed elio-3 per raggiungere raffreddamenti fino all'intervallo dei milli-Kelvin.

I refrigeratori a diluizione si basano su un ambiente di precooling stabile mantenuto a 4 K per liquefare la miscela di elio. Nei sistemi tradizionali a umido, il refrigeratore è immerso in un bagno di elio liquido che deve essere riempito regolarmente, il che sta diventando meno attraente a causa dell'aumento dei prezzi dell'elio.

I sistemi senza criogeni utilizzano refrigeratori a ciclo chiuso con tubi a impulsi per raffreddare il criostato a 4 K e una fase Joule-Thomson per condensare l'elio circolante. Anche se questo elimina la necessità di una fornitura di elio liquido, aumenta le vibrazioni meccaniche, ponendo sfide per gli esperimenti con sonde a scansione.

L'approccio comune per ottenere vibrazioni basse nei microscopi a scansione è creare una struttura rigida del microscopio e isolarla dalle fonti di vibrazione. Per i refrigeratori a diluizione a umido, questo spesso implica galleggiare l'intero sistema su molle d'aria. Tuttavia, per i refrigeratori a diluizione a secco, dove le vibrazioni provengono principalmente dal refrigeratore a tubo a impulsi, è necessaria un'isolamento interno delle vibrazioni.

#Progettazione dei Sistemi di Microscopia a Scansione

Questo lavoro si concentra su due SPM a rapido turnaround implementati in refrigeratori a diluizione a secco commerciali a caricamento dal basso. Entrambi i sistemi sono progettati per raffreddare i campioni rapidamente senza estese modifiche al design originale.

Entrambi i sistemi presentano magneti vettoriali superconduttori e sono pre-raffreddati usando criocooler a tubo a impulsi. La potenza di raffreddamento proveniente dal tubo a impulsi è sufficiente per le esigenze degli esperimenti.

Un meccanismo di caricamento dal basso consente uno scambio facile dei campioni senza riscaldare l'intero criostato, riducendo notevolmente i tempi di raffreddamento e riscaldamento. Ogni puck di campione porta connettori necessari per segnali elettrici e connessioni termiche, garantendo compatibilità con varie tecniche di misurazione.

#Tecniche di Caratterizzazione delle Vibrazioni

Per capire le caratteristiche delle vibrazioni, misuriamo prima le vibrazioni assolute nei puck dei campioni mentre sono installati nei refrigeratori a diluizione. Usando geofoni registriamo vibrazioni sia in direzione verticale che orizzontale.

I risultati mostrano che le vibrazioni legate al refrigeratore a tubo a impulsi influenzano i livelli di rumore complessivi nello SPM. Le misurazioni vengono effettuate sia a 5 K che a temperature inferiori per valutare i cambiamenti nelle prestazioni di vibrazione in diversi stati operativi.

#Misurazione delle Vibrazioni Punta-Campione

Dopo le misurazioni delle vibrazioni assolute, ci concentriamo sulle vibrazioni relative tra la punta del microscopio e il campione stesso. Misurare queste vibrazioni è cruciale, poiché influiscono direttamente sulle prestazioni di scansione del sistema.

Utilizziamo la microscopia a impedenza microonde (MIM) per caratterizzare le vibrazioni punta-campione. Questa tecnica ci consente di misurare i cambiamenti nelle proprietà elettriche del campione mentre la punta si avvicina, fornendo informazioni sul rumore vibratorio nel sistema.

Inoltre, usiamo un transistor a singolo elettrone a scansione per ottenere una seconda misura delle vibrazioni punta-campione, fornendo una verifica indipendente dei nostri risultati precedenti.

#Caratterizzazione della Temperatura nel Piano del Campione

Caratterizziamo la potenza di raffreddamento disponibile al piano del campione per capire come la temperatura del campione venga influenzata durante le operazioni.

Le misurazioni mostrano che la potenza di raffreddamento al campione è inferiore a quella nella camera di miscelazione. Tuttavia, la potenza disponibile è ancora sufficiente per un'operazione efficace del microscopio.

Nei nostri esperimenti, scopriamo che la temperatura si stabilizza intorno ai 30 mK durante le operazioni di scansione regolari. Il design consente un accoppiamento termico efficiente tra il campione e il sistema di raffreddamento, fondamentale per mantenere temperature basse.

#Capacità di Imaging delle Prove di Scansione

I sistemi sono stati testati per la capacità di imaging usando sia MIM che modalità di transistor a singolo elettrone. Gli esperimenti di imaging vengono condotti su modelli calibrati realizzati in oro per valutare le prestazioni delle sonde a scansione.

I risultati mostrano che i microscopi possono immaginare con precisione modelli fini mantenendo basse vibrazioni. Questa prestazione convalida le scelte di design fatte nella costruzione degli SPM.

#Miglioramento delle Prestazioni dei Refrigeratori a Diluizione a Secco

Anche se i design iniziali mostrano buone prestazioni, rimangono opportunità per migliorare ulteriormente i sistemi. Migliorare la rigidità della struttura del microscopio può ridurre ulteriormente le vibrazioni.

Il design del puck del campione e l'arrangiamento delle strutture di supporto possono anche essere ottimizzati per minimizzare le vibrazioni. Tecniche come l'uso di un sistema di smorzamento basato su molle possono fornire ulteriore isolamento dalle vibrazioni.

Inoltre, esplorare ulteriori modifiche al refrigeratore a diluizione potrebbe dare benefici. Isolare l'assemblaggio del motore in modo da consentire un'integrazione più flessibile potrebbe ridurre ulteriormente i livelli di rumore.

#Conclusione

In questo lavoro, descriviamo lo sviluppo e la caratterizzazione di due refrigeratori a diluizione a secco a rapido turnaround per la microscopia a scansione. Le nostre misurazioni sistematiche di vibrazioni e prestazioni di raffreddamento forniscono informazioni essenziali per i ricercatori interessati a sistemi simili.

La combinazione di tecniche di imaging avanzate e gestione termica efficiente posiziona questi SPM come strumenti preziosi per studiare materiali quantistici a temperature ultra-basse.

Il lavoro futuro continuerà a concentrarsi sull'ottimizzazione delle prestazioni tramite modifiche strutturali e strategie di isolamento delle vibrazioni per migliorare ulteriormente le capacità di imaging e ridurre il rumore.