Avanços na Microscopia de Sonda de Varredura Sem Criogenia

Microscópios de sonda de varredura (SPMs) a baixa temperatura são ferramentas importantes para estudar materiais quânticos e ciência da informação quântica. Com o aumento dos custos do hélio, os pesquisadores tão buscando alternativas aos sistemas tradicionais baseados em criógenos. Os criostatos sem criógeno tão ficando mais populares, mas geralmente têm mais Vibrações que os sistemas baseados em criógenos. É essencial entender e reduzir essas vibrações para aplicações eficazes de SPM.

Esse artigo apresenta dois SPMs a partir de refrigeradores de diluição sem criógeno (DR) que foram construídos com mínimas mudanças nas configurações de fábrica. A gente examinou sistematicamente o desempenho deles em termos de vibrações.

A gente mediu as vibrações no estágio do microscópio usando geofones. Além disso, usamos a microscopia de impedância de micro-ondas e um Transistor de único elétron em varredura para medir as vibrações da ponta e da amostra. Também projetamos filtros personalizados e esquemas de ancoragem térmica para medir a potência de resfriamento e a temperatura eletrônica da ponta.

Esse trabalho serve como um recurso para pesquisadores interessados em SPMs sem criógeno, já que a caracterização detalhada muitas vezes falta na literatura existente ou dos fabricantes.

#Visão Geral dos Refrigeradores de Diluição

O desenvolvimento do Refrigerador de Diluição de hélio-4/hélio-3 foi um avanço significativo para experimentos em temperaturas muito baixas. Esses refrigeradores usam uma mistura de hélio-4 e hélio-3 para alcançar resfriamento até a faixa de milli-Kelvin.

Os refrigeradores de diluição dependem de um ambiente de pré-resfriamento estável mantido a 4 K para liquefazer a mistura de hélio. Nos sistemas úmidos tradicionais, o refrigerador fica submerso em um banho de hélio líquido que precisa ser reabastecido regularmente, o que tá se tornando menos atraente devido ao aumento dos preços do hélio.

Sistemas sem criógeno usam refrigeradores de tubo de pulso de ciclo fechado para resfriar o criostato a 4 K e uma etapa de Joule-Thomson para condensar o hélio em circulação. Embora isso elimine a necessidade de um suprimento de hélio líquido, aumenta as vibrações mecânicas, o que apresenta desafios para os experimentos de sonda de varredura.

A abordagem comum para conseguir baixa vibração em microscópios de sonda de varredura é criar uma estrutura rígida no microscópio e isolá-la de fontes de vibração. Para refrigeradores de diluição úmidos, isso geralmente envolve flutuar todo o sistema em molas de ar. Porém, para refrigeradores de diluição secos, onde as vibrações vêm principalmente do refrigerador de tubo de pulso, é necessária uma isolação de vibração interna.

#Design dos Sistemas de Microscopia de Sonda de Varredura

Esse trabalho foca em dois SPMs de rápida implementação em refrigeradores de diluição secos comerciais de carregamento inferior. Ambos os sistemas são projetados para resfriar amostras rapidamente sem extensas modificações no design original.

Os dois sistemas apresentam ímãs vetoriais supercondutores e são pré-resfriados usando criocoolers de tubo de pulso. A potência de resfriamento do tubo de pulso é suficiente para as necessidades dos experimentos.

Um mecanismo de carregamento inferior permite uma troca fácil das amostras sem aquecer todo o criostato, reduzindo dramaticamente os tempos de resfriamento e aquecimento. Cada disco de amostra carrega conectores necessários para os sinais elétricos e conexões térmicas, garantindo compatibilidade com várias técnicas de medição.

#Técnicas de Caracterização de Vibrações

Para entender as características de vibração, a gente primeiro mede as vibrações absolutas nos discos de amostra enquanto eles permanecem instalados nos refrigeradores de diluição. Usamos geofones para registrar as vibrações em direções vertical e horizontal.

Os resultados mostram que as vibrações relacionadas ao refrigerador de tubo de pulso influenciam os níveis de ruído geral no SPM. As medições são feitas tanto a 5 K quanto em temperaturas mais baixas para avaliar mudanças no desempenho de vibração em diferentes estados operacionais.

#Medindo Vibrações da Ponta e da Amostra

Depois das medições de vibração absolutas, a gente foca nas vibrações relativas entre a ponta do microscópio e a própria amostra. Medir essas vibrações é crucial, pois elas afetam diretamente o desempenho de varredura do sistema.

Usamos a microscopia de impedância de micro-ondas (MIM) para caracterizar as vibrações da ponta e da amostra. Essa técnica permite medir mudanças nas propriedades elétricas da amostra à medida que a ponta se aproxima, dando uma visão do ruído vibracional no sistema.

Além disso, usamos um transistor de único elétron em varredura para obter uma segunda medida das vibrações da ponta e da amostra, provendo uma verificação independente das nossas descobertas anteriores.

#Caracterização da Temperatura no Estágio da Amostra

A gente caracteriza a potência de resfriamento disponível no estágio da amostra para entender como a temperatura da amostra é afetada durante as operações.

As medições mostram que a potência de resfriamento na amostra é menor do que a na câmara de mistura. No entanto, a potência disponível ainda é suficiente para o funcionamento eficaz do microscópio.

Nos nossos experimentos, encontramos que a temperatura se estabiliza em torno de 30 mK durante operações de varredura normais. O design permite um acoplamento térmico eficiente entre a amostra e o sistema de resfriamento, crucial para manter temperaturas baixas.

#Capacidades de Imagem dos Sensores de Sonda

Os sistemas foram testados quanto à capacidade de imagem usando tanto MIM quanto modalidades de transistor de único elétron. Experimentos de imagem foram conduzidos em padrões calibrados feitos de ouro para avaliar o desempenho das sondas de varredura.

Os resultados mostram que os microscópios conseguem fazer imagens precisas de padrões finos enquanto mantêm baixas vibrações. Esse desempenho valida as escolhas de design feitas na construção dos SPMs.

#Melhorando o Desempenho dos Refrigeradores de Diluição Secos

Embora os designs iniciais mostrem bom desempenho, ainda há oportunidades para melhorar ainda mais os sistemas. Aumentar a rigidez na estrutura do microscópio pode reduzir ainda mais as vibrações.

O design do disco de amostra e a disposição das estruturas de suporte também podem ser otimizados para minimizar vibrações. Técnicas como o uso de um sistema de amortecimento baseado em molas podem oferecer uma isolação adicional de vibrações.

Além disso, explorar mais modificações no próprio refrigerador de diluição também pode trazer benefícios. Isolar o conjunto do motor de uma forma que permita uma integração mais flexível poderia reduzir ainda mais os níveis de ruído.

#Conclusão

Nesse trabalho, a gente descreve o desenvolvimento e a caracterização de dois refrigeradores de diluição secos de rápida implementação para microscopia de sonda de varredura. Nossas medições sistemáticas de vibrações e desempenho de resfriamento fornecem insights essenciais para pesquisadores interessados em sistemas similares.

A combinação de técnicas avançadas de imagem e gerenciamento térmico eficiente posiciona esses SPMs como ferramentas valiosas para estudar materiais quânticos em temperaturas ultra-baixas.

Trabalhos futuros vão continuar focando na otimização do desempenho através de modificações estruturais e estratégias de isolamento de vibração para aprimorar ainda mais as capacidades de imagem e reduzir ruídos.