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Magnetkühlung

Rastertunnelmikroskop zur Untersuchung von Quanteneffekten

Physiker des Forschungszentrums Jülich haben ein Rastertunnelmikroskop mit Magnetkühlung zur Untersuchung von Quanteneffekten entwickelt.

Forschende nutzen Rastertunnelmikroskope seit vielen Jahren, um die Welt des Nanokosmos zu erkunden. Physiker des Forschungszentrums Jülich haben nun ein Rastertunnelmikroskop mit Magnetkühlung zur Untersuchung von Quanteneffekten entwickelt. Ihr Rastertunnelmikroskop kommt dank Magnetkühlung ohne bewegliche Teile aus und arbeitet bei sehr tiefen Temperaturen von bis zu 30 Millikelvin nahezu vibrationsfrei. Das Instrument kann Forschenden künftig dabei helfen, die ungewöhnlichen Eigenschaften von Quantenmaterialien zu erschließen, die für die Entwicklung von Quantencomputern und -sensoren von entscheidender Bedeutung sind.

Prof. Stefan Tautz (l. u.), Dr. Taner Esat (l. o.) und Prof. Ruslan Temirov (r.) am Jülicher Quantenmikroskop. © Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Der Bereich in der Nähe des absoluten Nullpunkts ist für die Physik besonders spannend. Thermische Fluktuationen sind bei den tiefen Temperaturen auf ein Minimum reduziert. Die Gesetze der Quantenphysik kommen ins Spiel und lassen besondere Eigenschaften von Materialien zutage treten. Solch tiefe Temperaturen sind auch die notwendige Voraussetzung, um Quanteneffekte für das Quantencomputing zu erforschen und nutzbar zu machen. Forschende weltweit wie auch am Forschungszentrum Jülich verfolgen dieses Ziel derzeit mit Hochdruck. Quantenrechner könnten konventionellen Superrechnern bei bestimmten Aufgaben haushoch überlegen sein. Doch die Entwicklung steht noch ganz am Anfang. Eine zentrale Herausforderung ist die Suche nach Materialien und Prozessen, die komplexe Architekturen mit stabilen Quantenbits möglich machen.

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Das Besondere ist die Magnetkühlung: Die Kühlvorrichtung des Jülicher Mikroskops beruht auf dem Verfahren der adiabatischen Entmagnetisierung. Das Prinzip ist nicht neu. Es wurde bereits in den 1930er Jahren eingesetzt, um im Labor erstmalig Temperaturen unterhalb von 1 Kelvin zu realisieren. „Zur Kühlung des Geräts ändern wir nur die Stärke des elektrischen Stroms, der durch eine elektromagnetische Spule fließt. Unser Mikroskop kommt daher ohne bewegliche Teile aus und arbeitet praktisch vibrationsfrei“, berichtet Ruslan Temirov vom Forschungszentrum Jülich.

Die Jülicher sind nach Angaben des Forschungszentrums Jülich die Ersten, die ein Rastertunnelmikroskop mit dieser Technik konstruiert haben. „Die neue Kühltechnik weist in der Praxis mehrere Vorzüge auf. Nicht nur die Abbildungsqualität profitiert davon, auch die Bedienung des Geräts und der gesamte Aufbau vereinfachen sich“, sagt Institutsleiter Stefan Tautz. Das Jülicher Quantenmikroskop sei mit seinem modularen Design zudem offen für technische Fortschritte, da sich Upgrades einfach realisieren lassen. „Die adiabatische Kühlung ist für die Rastertunnelmikroskopie ein echter Quantensprung. Die Vorteile sind so signifikant, dass wir im nächsten Schritt nun einen kommerziellen Prototyp entwickeln“, erklärt Stefan Tautz.

Publikation:

Taner Esat, Peter Borgens, Xiaosheng Yang, Peter Coenen, Vasily Cherepanov, Andrea Raccanelli, F. Stefan Tautz, Ruslan Temirov: A millikelvin scanning tunneling microscope in ultra-high vacuum with adiabatic demagnetization refrigeration. Review of Scientific Instruments 92, 063701 (2021); DOI: 10.1063/5.0050532

Quelle: Forschungszentrum Jülich

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