Yeni bir örnek sahibi, bilim insanlarına ultra soğuk sıcaklıklar üzerinde daha fazla kontrol sağlar ve malzemelerin kuantum bilgisayarlarda nasıl yararlı özellikler elde ettiği üzerine çalışmayı sağlar.
Bilim adamları artık bir elektron mikroskobu ile bireysel atom seviyesine çözümlenmiş görüntüler çekerken, 10 saatin üzerinde mutlak sıfıra yakın örnekleri güvenilir bir şekilde soğutabilirler. Yeni yetenek, Michigan Üniversitesi ve Harvard Üniversitesi’ndeki bir bilim insanı ve mühendis ekibi tarafından tasarlanan sıvı helyum soğutmalı bir örnek tutucudan geliyor.
Geleneksel enstrümanlar genellikle bu kadar aşırı bir sıcaklığı, yaklaşık -423 Fahrenheit veya mutlak sıfırın üzerinde yaklaşık 20 derece üzerinde, birkaç dakika boyunca birkaç saat içinde dışarı çıkabilir. Ancak, ileri teknolojiler için aday materyallerin atomik çözünürlük görüntülerini almak için daha uzun süre gereklidir.
Bunlar, ısı kaybı olmadan elektrik yapan süperiletkenler, bazı hesaplamalar için geleneksel bilgisayarlardan potansiyel olarak milyonlarca kat daha hızlı çalışan kuantum bilgisayarları ve insan beynini taklit ederek hızı ve verimliliği artıran nöromorfik bilgisayarları içerir. Bu tür aday materyaller, aşırı soğuk olmadıkça tipik olarak garip ve kullanışlı özelliklerine sahip değildir.
UM’de malzeme bilimi ve mühendislik profesörü ve bu çalışmanın yazarı yazarı Robert Hovden, “Atomlar bu kadar soğuklaştığında, çok fazla hareket etmiyorlar ve bu malzemenin davranışını kökten değiştiriyorlar” dedi. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri.
“Gerçekten harika şeyler oluyor. Metaller izolatör veya süperiletkenler olabilir ve etraflarında kubitler ve yeni bilgisayar anıları tasarlayabiliriz.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Bu özelliklerin nasıl ortaya çıktığını anlamak istiyorsak, bir deneyin süresi boyunca bu düşük sıcaklıklardaki malzemeleri gözlemlememiz gerekir.”
-321 F’de (77 Kelvin) ultra katlı mikroskopi, bilim adamlarının bireysel atom seviyesine çözülen malzemelerin ve proteinlerin fotoğraflarını çekmesini sağlasa da, bazı kuantum özelliklerini görüntülemek ve daha yüksek çözünürlükler elde etmek için daha soğuk sıcaklıklara ihtiyaç vardır. Sıvı helyum sıcaklıkları mutlak sıfıra (0 K, -460 F) daha da yakınlaştırabilir, çünkü helyum 452 f civarında yoğunlaşır.
Ancak pratik sorunlar, bilim adamlarının birkaç dakikadan fazla bir süre mikroskopla sıvı helyum kullanmasını engelledi. Çoğu modern transmisyon elektron mikroskopi platformlarında, numune, termos benzeri bir kap, bir çubuk, bir çubukla bir çubukla bir mikroskop altında tutulur.
Dewar, çubuğu hem de numuneyi, süper soğuk bir sıvı, genellikle azot veya helyum ile doldurulduğunda, hemen Dewar’ın içinde kaynar, numuneyi jostling ve görüntü çözünürlüğünü azaltır. Bu sorunlar sıvı helyum ile daha kötüdür, çünkü daha güçlü bir şekilde kaynar ve daha hızlı buharlaşır.
“Sıcak lav üzerine su dökmek gibi,” dedi Hovden. “Sadece tüm bu titreşimleri kaynar sıvıdan almakla kalmaz, aynı zamanda sıcaklık her yerde sallanır, bu yüzden çubuk büzülür ve ihtiyacınız olan tam sıcaklığı tutamazsınız.”
Araştırmacıların enstrümanı, 10 saatin üzerinde, sadece 0.004 derece Fahrenheit (0.002 Kelvin) sallanma ile -423 derece Fahrenheit (20 Kelvin) gibi düşük örnek sıcaklıklarını koruyabilir. Mevcut enstrümanlardan 10 kat daha iyi olan bu kontrol seviyesi, bilim adamlarının, özelliklerinin mikroskop altında değişimini izlerken bir numuneyi ince kontrollü bir sıcaklık gradyanına maruz bırakmalarını sağlar.
Harvard Üniversitesi Rowland Enstitüsü’nden bir malzeme fizikçisi ve çalışmanın ilgili yazarı olan Ismail El Baggari, “Atomik düzenlemeyi malzeme değişiklikleri olarak görebilmek, kuantum malzemelerine şaşırtıcı özelliklerini veren atomik ve nano ölçekli süreçleri anlamanın ve kullanmanın anahtarı olabilir.” Dedi.
Enstrümanın sabit soğutması, numune tutucusuna bağlı bir ısı eşanjöründen gelir. Helyum, ısı eşanjöründen pompalanırken buharlaşır ve örneği bir egzoz havalandırmadan önce soğutur.
Mevcut kapalı döngü numune tutucuları zaten helyum ile serin örnekler, ancak görüntüler için çok fazla titreşiyorlar.
Yeni sistemde, ısı değiştiricinin her ucundaki yaylı, esnek borular ve kauçuk izolatörler, buharlaşan helyumun neden olduğu titreşimleri sınırlayarak yüksek çözünürlüklü görüntüler sağlar.
Böyle hassas bir süreç katı mekanik özellikler gerektirir. Planlardan küçük sapmalar bile aşırı titreşimler veya sızıntılar yaratır.
UM’deki Makine Mühendisliği lisans derecesi sırasında cihazın yapımına öncülük eden ilk yazarı Emily Rennich, “Bu şeyi nasıl üreteceğini ve mikroskop içinde test edeceğini bulmak, üstesinden gelmek için büyük engellerdi” dedi.
“Başlamadan önce aslında çok fazla üretim veya tasarım becerim yoktu. Sadece çok fazla deneme yanılma ve diğer makinistlerle konuşarak, işe yarayan bir şey yapabildik.”
Teknoloji, federal hibelerdeki dolaylı maliyet tahsislerinden destekle işletilen ve korunan UM’deki Michigan Malzeme Karakterizasyonu Merkezi’nde zaten uygulanmaktadır. Yeni sistem, ülkenin dört bir yanından araştırmacıların daha önce ulaşılamayan deneyler yapmalarını sağlıyor.
Oakridge Ulusal Laboratuvarı’nda şirket üyesi ve çalışmaya katılmayan Makine Mühendisliği ve Malzeme Bilimi Profesörü Miaofang Chi, “Bu atılım için heyecanlıyım, yaklaşık on yıldır beklediğim bir şey,” dedi. “Takımın başarısının kalıcı bir etkisi olacak.”
