中科院研发全球混合磁体扫描隧道显微镜 可实现实空间原子分辨测量

超导磁体是低温下用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体。它的主要特点是无导线电阻产生的电损耗，也没有因铁芯存在而产生的磁损耗，具有很强的实用价值。超导磁体系统分为传统的圆柱形超导磁体和开放式超导磁体两种。

传统型超导磁体根据场强的不同主要分为1.5T和3.0T两个档次，其中1.5T是主流磁体，3.0T磁体的使用Z逐年递增。开放式超导欧体主要有1.0T和1.2T这两种场强。超导磁体系统也是由主磁场产生单元、匀场单元以及制冷单元等组成。其中主磁场产生单元由超导主线圈和超导磁屏蔽线圈组成，匀场单元由超导匀场线圈或无源匀场贴片等组成，制冷单元包括杜瓦，冷屏及冷头等。

日前，中科院合肥研究院强磁场中心陆轻铀课题组在国际上首次研制成功混合磁体极端条件下原子分辨扫描隧道显微镜(STM)，混合磁体由一个内水冷磁体和大口径的外超导磁体嵌套组成。对于突破当前磁场下只能开展输运等宏观平均效果测量之瓶颈，进入到广阔的物性微观起源探索领域，具有标志性意义。课题组近期已研制成功20毫米孔径连续流液氦恒温器 STM、国际水冷磁体(32毫米孔径，27特斯拉)STM和干式(无液氦)超导磁体STM，均获得了高质量的原子分辨图像。

液氮恒温器

直接或间接控制一个或多个热源和冷源来维持所要求的温度的一种装置。恒温器要实现这种功能，就必须具有一个敏感元件和一个转换器，敏感元件量度出温度的变化，并对转换器产生所需的作用。转换器把来自敏感元件的作用转换成对改变温度的装置能进行适当控制的作用。

液氮是一种方便、经济、高效的制冷剂，直接以液氮为冷源的恒温器就是液氮恒温器，其各种产品在低温物理实验、半导体、航空航天、食品、医药等众多领域被广泛的应用。使用液氮制冷剂，有效率高、降温速度快、振动小、成本低等优点，有光学和非光学型，可用于真空、超高真空、磁场、显微镜、光谱学等研究，是研究材料物理特性的强有力的工具。超高真空、磁场、显微镜、光谱学等研究，是研究材料物理特性的强有力的工具。

扫描隧道显微镜

作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电子学控制系统也是一个重要的部分。扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，计算机软件所起的作用主要分为“在线扫描控制”和“离线数据分析”两部分。

离线数据分析软件

离线数据分析是指脱离扫描过程之后的针对保存下来的图象数据的各种分析与处理工作。常用的图象分析与处理功能有：平滑、滤波、傅立叶变换、图象反转、数据统计、三维生成等。

⑴平滑，平滑的主要作用是使图象中的高低变化趋于平缓，消除数据点发生突变的情况。

⑵滤波，滤波的基本作用是可将一系列数据中过高的削低、过低的添平。因此，对于测量过程中由于针尖抖动或其它扰动给图象带来的很多毛刺，采用滤波的方式可以大大消除。

⑶傅立叶变换，快速傅立叶变换对于研究原子图象的周期性时很有效。

⑷图象反转，将图象进行黑白反转，会带来意想不到的视觉效果。

⑸数据统计，用统计学的方式对图象数据进行统计分析。

⑹三维生成，根据扫描所得的表面型貌的二维图象，生成直观美丽的三维图象。

大多数的软件中还提供很多其它功能，综合运用各种数据处理手段，得到自己满意的图象。

新闻来源：中国科学院合肥物质科学研究院

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