近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究團隊在新一代無液氦低溫掃描探針顯微鏡研制方面取得成果，成功研制了一套無液氦亞3K低溫掃描探針顯微系統。研究成果以“無液氦亞3 K低溫掃描探針顯微鏡的研制”為題，于2023年9月6日發表在《科學儀器評論》上。
在凝聚態物理研究中，低溫環境扮演著非常重要的角色，是對多體系統中強相互作用的復雜行為開展深入研究的必要條件。目前低溫環境重要依賴于液氦提供。然而液氦是一種非常稀缺且昂貴的資源，隨著液氦資源日趨緊張，發展無液氦制冷技術勢在必行。磁共振成像、超導磁體等儀器設備已經實現了無液氦化，而在掃描探針顯微系統(SPM)上，一方面單級制冷的基礎溫度僅能達約5 K水平，另一方面制冷劑需要安裝在掃描單元附近，其震動對成像有顯著影響。因此低溫SPM的無液氦化仍然面臨著較大困難。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心郇慶研究團隊(N13組)和高鴻鈞院士研究團隊(N04組)長期合作，在掃描探針顯微鏡技術上取得過多項重大突破。為解決無液氦低溫SPM技術，兩個研究團隊聯合中科艾科米(北京)科技有限公司、北京飛斯科科技有限公司、中國科學院半導體研究所的研發人員經過幾年攻關，終于成功研制出了無液氦亞3K低溫SPM系統。
據介紹，該系統將低頻大幅震動的制冷機安裝在遠端的獨立制冷腔體，解決了目前無液氦低溫掃描探針顯微鏡存在的兩方面問題。在溫度上，實現了~2.8K的基礎溫度、接近±0.1mK的溫度穩定性、小于10pm/h的溫度漂移，保證了穩定的低溫環境。在震動上，震動水平約1pm，對成像的影響大幅減小。經過驗證，該系統能夠從低溫到室溫寬溫區內連續變溫成像。
與現有的無液氦方案相比，該系統僅需少量氦氣(~10 L)即可實現3K以下基礎溫度，并可長時間連續運行，震動水平與濕式系統相當；利用此遠端液化 4He方案預冷3He方便實現亞開爾文范圍拓展；與強磁場、光學通路等其他物理環境的良好兼容性，顯著降低來自制冷機的電磁干擾；便捷地將現有濕式SPM系統改造為無液氦SPM，并可應用在其他需求低溫且對振動敏感的領域。
世界范圍內的液氦短缺對部分依賴低溫環境運行的儀器設備帶來了較大影響，這項研究成果采用創新的制冷技術，不僅徹底解決了現有無液氦SPM方案近端安裝制冷機的不足，還可應用于其它需求低溫且振動敏感的領域，如精密光譜測量、低維材料的微弱電學信息表征等，將助力我國減少對液氦資源的依賴。
資料來源：中國科學院物理研究所
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