Ультрахолодный микроскоп может положить начало квантовой революции
Когда ученые хотят разглядеть материал вплоть до отдельных атомов, им приходится не только настраивать мощные микроскопы, но и замораживать образцы почти до абсолютного нуля.
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
При комнатной температуре атомы вибрируют от тепловой энергии и выглядят размытыми, но при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю, они почти замирают на месте и даже могут демонстрировать квантовые эффекты. Однако в таком случае появляется другая проблема: обеспечение нужного уровня охлаждения и работы оборудования в условиях холода.
Лишь спустя десятилетия работы, ученым наконец удалось адаптировать один из самых мощных исследовательских инструментов — трансмиссионный электронный микроскоп — для работы при экстремально низких температурах. Уже в начале следующего года компания Bruker планирует поставить в три лаборатории в Канаде, Германии и США первые сканирующие трансмиссионные электронные микроскопы, стабильно работающие при температурах, близких к абсолютному нулю. Устройство получило имя GAIA и способно снимать материалы при температуре около −266 °C в течение 30 часов и даже дольше.
Ученые давно используют температуру как инструмент, который позволяет почти заморозить атомы на месте и вызвать появление определенных свойств материалов. Чаще всего электронные микроскопы охлаждают жидким азотом до −196 °C, но для более низких температур требуется жидкий гелий, который конденсируется при −269 °C. Проблема в том, что жидкий гелий невероятно капризен в работе — он испаряется так быстро, что вызывает вибрации образцов, размывая изображения.
В 2020 году команда Роберта Ховдена из Мичиганского университета создала насадку, использующую теплообменник и другие инженерные решения для снижения вибраций от жидкого гелия. Такая насадка обеспечивает стабильную съемку с атомарным разрешением более десяти часов подряд. В 2022 году Ховден основал компанию h-Bar Instruments для коммерциализации разработки. GAIA пошла другим путем, встроив резервуар с жидким гелием непосредственно в конструкцию микроскопа. Помимо сверхнизких температур, устройство оснащено системой коррекции искажений и монохроматором, контролирующим энергию электронов.
«Это невероятно захватывающе», — говорит специалист по электронной микроскопии Шелли Конрой из Имперского колледжа Лондона, которая уже забронировала время для работы с GAIA. Ной Шницер, ее коллега, отмечает впечатляющую стабильность нового прибора: «В микроскопии это главное».
Новые возможности ультрахолодной микроскопии откроют путь к изучению природы сверхпроводимости на атомном уровне, исследованию возникновения магнетизма в материалах и пониманию того, почему выходят из строя кубиты в квантовых компьютерах. «Мы даже не знаем, что увидим, потому что это никогда прежде не было доступно», — признается электронный микроскопист Джордан Хахтел из Национальной лаборатории Ок-Ридж.
Ранее мы рассказывали о том, что в Европе строят первый в мире электронный микроскоп на квантовом компьютере.
квантовый компьютерПоделиться
