30mK极低温近场扫描微波显微镜研发核心：attocube极

关键词：低温位移台；近场扫描微波显微镜； 稀释制冷机

背景介绍

       扫描隧道显微镜（STM）^[1]和原子力显微镜（AFM）^[2]等基于扫描探针显微术（SPM）的出现使得科学家能够在纳米级分辨率下去研究更多材料的物理特性及图形。以这些技术为基础的纳米技术、材料和表面科学的迅速发展，极大地推动了通用和无损纳米尺度分析工具的需求。尤其对于快速增长的量子器件技术领域，需要开发与这些器件本身在同一区域（即量子相干区域）中能够兼容的SPM技术。然而，迄今为止，能够与样品进行量子相干相互作用的纳米尺度表征的工具仍非常有限。特别是在微波频率下，光子能量比光波长小几个数量级，加之缺乏单光子探测器和对mK极端温度的严格要求，更是一个巨大的挑战。近年来，固态量子技术飞速发展迫切需要能够在此极端条件下运行的SPM探测技术。

技术核心

       近场扫描微波显微技术（NSMM）^[3]结合了微波表征和STM或AFM的优势，通过使用宽带或共振探头来实现探测。在近场模式下，空间分辨率主要取决于SPM针尖尺寸，可以突破衍射极限的限制，获得纳米级别的高分辨率图像。NSMM的各种实现方式已被广泛应用于非接触式的探测半导体器件^[4]，材料中的缺陷^[5]、生物样品的表面^[6]及亚表面分析，以及高温超导性^[7]的研究。但是在极低温量子信息领域中的应用还鲜有报道。英国国家物理实验室NPL的塞巴斯蒂安·德·格拉夫（Sebastian de Graaf）小组与英国伦敦大学谢尔盖·库巴特金（Sergey Kubatkin）教授小组合作开发了一种在30 mK下工作的新型低温近场扫描微波显微镜，同时，该显微镜还结合了高达6 GHz的微波表征和AFM技术，旨在满足量子技术领域的新兴需求。

       整个系统置于一台稀释制冷机中（如图1（b）所示），NSMM显微镜的示意图如图1（a）所示：在石英音叉上附着了一个平均光子占有率为~1的超导分形谐振器。一个可移动的共面波导被用来感应耦合到谐振器上进行微波的发射和信号的读出。整个系统的核心是德国attocube公司提供的兼容极低温的铍铜材质的纳米精度位移台，该小组使用一组ANPx100和ANPz100纳米位移器将样品与针尖在x，y和z方向上对齐，同时使用一个小的ANPz51纳米位移器进行RF波导的纳米级定位和耦合。

图1.（a）NSMM显微镜的示意图。（b） 稀释制冷机中弹簧和弹簧悬挂的NSMM示意图。

测量结果

       如图2所示，Sebastian教授演示了在单光子区域中以纳米级分辨率进行扫描的结果。扫描的区域与在硅衬底上形成铝图案的样品相同。扫描显示三个金属正方形（2×2μm²）与两个较大的结构相邻，形成一个叉指电容器。叉指电容器的每个金手指有1 μm的宽度和间距，尽管在图2中，由于JD的形状，这些距离看起来不同。

图2. 在30 mK下扫描具有相邻金属垫的交叉指电容器.（a）得到的AFM形貌图。（b） 单光子微波扫描（~1）显示了微波谐振腔的频移,微波扫描速度为0.67 μm/s.（c）高功率微波扫描结果（~270）。（d） 在调谐叉频率（30 kHz）下解调的PDH误差信号，与dfr/dz（~270）成正比。（e） 扫描获得的信噪比（SNR）作为平均光子数的函数。

attocube低温位移台

       德国attocube公司是世界上著名的极端环境纳米精度位移器制造公司。拥有20多年的高精度极低温纳米位移台的研发和生产经验。公司已经为世界各地科学家提供了5000多套位移系统，用户遍及著名的研究所和大学。它生产的位移器设计紧凑，体积极小，种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和扫描器。德国attocube公司的位移器以稳定而优异的性能、原子级的定位精度、纳米位移步长和厘米级位移范围深受科学家的肯定和赞誉。产品广泛应用于普通大气环境和极端环境中，包括超高环境(5E-11 mbar)、低温环境（10mK）和强磁场中（31 Tesla）。

图3. attocube低温强磁场纳米精度位移器，扫描器，3DR

主要参数及技术特点

参考文献：

[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).

更多文章信息请点击：https://doi.org/10.1038/s41598-019-48780-3

ARS的SPM(扫描探针显微镜)集成的低温解决方案

使用RHK公司提供的PanScan自由STM(扫描隧道显微镜)系统结合ARS DMX-20B产品的可实现8K温度下的原子级分辨率。

- 真正的超高真空，可烘烤至200℃
- 可选闭循环无液氦系统也可选液氦制冷系统
- 超低振动
    - (DMX-20B为3nm, LT-3B为埃米级)

使用DMX-20B产品的低温条件下碳纳米管的STM(扫描隧道显微镜)成像，G. Nazin供图

RHK CUSTOMER SUCCESS IN MIT

       RHK公司一直致力于服务各大科研高校，尤其在商业化定制低温无液氦产品，扫描隧道显微镜控制器，以及系统集成方案设计与优化等方面解决了科研用户的诸多问题，同时在与科研单位不断地沟通反馈中也在不断地增强自我学习和产品的不断更新换代，将产品的优势与用户需求WM结合。为了让大家能更进一步了解RHK产品的特点，除了以往标准的商业化Pan式系统与R9plus控制器之外，本文将ZD向大家分享RHK公司PanScan SPM扫描头集成到客户自制系统的经典案例，以及研究小组如何利用RHK的PanScan SPM扫描头来克服时间、资金和独特要求所带来的的挑战，成功地将客户特殊研发定制的UHV SPM系统，包括无液氦、LHe bath、以及极低温300 mK和外加强磁场等功能高度集成，ZZ取得前沿成果，并发表在高影响力的期刊上。希望大家能够在案例中得到启发和帮助。

研发背后的故事

       作为一所世界知名大学的ZS研究科学家，来自MIT的穆德拉博士已经将目光投向了一项开创性的实验，即在金属表面探测马约拉纳费米子。这将需要一个高度稳定的STM，它需要在毫开尔文温度下工作，并且能够在5T的面内磁场中准确旋转。

       没有商业STM能够具有这种能力，因此需要开发一种定制仪器。MIT需要选择一家供应商来应对这一项艰巨、高风险任务中所面临的复杂挑战，以及为什么认为产品供应商能够应付自如，确保成功！

       穆德拉博士在一次美国物理学会会议上了解到RHK的低温扫描头和R9plus控制器。现场低温无液氦PanScan Freedom系统的演示操作在RHK的展台上顺利进行，无需额外减震台，周围展会现场的复杂环境下，也能轻松实现原子分辨率结果，更不需要特殊的系统隔离环境噪音和振动，这让穆德拉印象格外深刻。

“The real time demo of atomic scale imaging of a topological insulator surface at the APS March meeting, in that essentially street level setting with the cryogenic compressor running is simply awesome. All these physicists walking by and tapping on it did not make any difference… It is very impressive!”

       虽然RHK的PanScan和R9plus控制系统已经很成熟，但对于个性化定制的mK系统来说，还是会存在很多不确定性和挑战。穆德拉博士需要选择一个mK低温恒温器，同时mK低温恒温器的设计需要配有一个专门的可拆卸扫描头，并要求安装在一个非常高的低温恒温器的底部。Janis Research被选中提供mK低温恒温器。超导磁体部分则由低温磁体Cryomagnetics提供。

       随后，RHK和Janis同意合作，利用他们多年的经验来设计一个具有独特功能的系统，该系统不会影响扫描头和低温恒温器的性能。RHK在保持核心PanScan扫描头功能标准的同时，建立了独特且稳固的线路信号传输系统，将扫描头牢牢固定在低温恒温器底座的磁铁内部。

       除此之外，RHK还设计了另一种灵活机制，可以使扫描头在恒温器底座直接解锁，轻松将扫描头升起传送到load lock的第二级。这个操作位置可以允许室温下快速更换探针和样品，并且能够在扫描头返回低温恒温器底部之前直观反馈室温操作情况，从而有效消除冷却循环与不完善的针尖或样品带来的热量损失，大大提高工作效率并节省大量的氦气。

       所有RHK元件的设计都与Janis mK低温恒温器的结构和几何结构兼容。两者按设计可以相互操作，成像时可达到并保持350 mK的极低温度。这个定制的联合工作系统目前已经在麻省理工学院Moodera博士的实验室安装和测试，运行非常顺利，并提供了强大的成像性能。以下图片是他发表的研究摘录。

“Having worked with an STM for a couple of years, I can clearly appreciate the magnitude of this fantastic accomplishment by RHK Technology. I am totally confident in our choice…a custom built mK STM/nc-AFM from RHK”

       现在Moodera博士正与RHK合作，通过重新设计扫描头内部架构来拓展他的STM系统能力，以整合先进扫描功能。RHK无偿提供扫描头设计图纸和技术支持，以使他们能够在挑战性的未来实验中充分发挥RHK产品特点。

SYSTEM

       定制的PanScan STM头安装在Janis研究公司的300 mK He3低温恒温器中，系统内部扫描头可原位传送至中转腔load lock，用于样品/针尖更换，同时在冷却至mK基准温度前可进行成像前探针和样品测试，确定样品和探针的工作状态。冷却后的扫描头可以在磁场中旋转，即使没有任何内部主动隔振，整体设计也可以确保系统的高稳定性和极低噪音。

Figure 1 MIT系统内部集成设计效果实物展示

Figure 2 具体产品设计细节展示

RESULTS

Figure 3 Superconductivity in the Surface State of Noble Metal Gold and its Fermi Level Tuning by EuS Dielectric； Physical Review Letters PHYSICAL REVIEW LETTERS 122, 247002 (2019)

Figure 4 Signature of a pair of Majorana zero modes in superconducting gold surface states； Proceedings of National Academy of Science PNAS April 21, 2020 117 (16) 8775-8782