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我国在无液氦低温扫描探针显微镜研制方面取得进展

发布时间：2023/9/21 9:26:18编辑：Ma Liang
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近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究团队在新一代无液氦低温扫描探针显微镜研制方面取得成果，成功研制了一套无液氦亚3K低温扫描探针显微系统。研究成果以“无液氦亚3 K低温扫描探针显微镜的研制”为题，于2023年9月6日发表在《科学仪器评论》上。

在凝聚态物理研究中，低温环境扮演着非常重要的角色，是对多体系统中强相互作用的复杂行为开展深入研究的必要条件。目前低温环境重要依赖于液氦提供。然而液氦是一种非常稀缺且昂贵的资源，随着液氦资源日趋紧张，发展无液氦制冷技术势在必行。磁共振成像、超导磁体等仪器设备已经实现了无液氦化，而在扫描探针显微系统（SPM）上，一方面单级制冷的基础温度仅能达约5 K水平，另一方面制冷剂需要安装在扫描单元附近，其震动对成像有显著影响。因此低温SPM的无液氦化仍然面临着较大困难。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郇庆研究团队（N13组）和高鸿钧院士研究团队（N04组）长期合作，在扫描探针显微镜技术上取得过多项重大突破。为解决无液氦低温SPM技术，两个研究团队联合中科艾科米（北京）科技有限公司、北京飞斯科科技有限公司、中国科学院半导体研究所的研发人员经过几年攻关，终于成功研制出了无液氦亚3K低温SPM系统。

据介绍，该系统将低频大幅震动的制冷机安装在远端的独立制冷腔体，解决了目前无液氦低温扫描探针显微镜存在的两方面问题。在温度上，实现了~2.8K的基础温度、接近±0.1mK的温度稳定性、小于10pm/h的温度漂移，保证了稳定的低温环境。在震动上，震动水平约1pm，对成像的影响大幅减小。经过验证，该系统能够从低温到室温宽温区内连续变温成像。

与现有的无液氦方案相比，该系统仅需少量氦气（~10 L）即可实现3K以下基础温度，并可长时间连续运行，震动水平与湿式系统相当；利用此远端液化 4He方案预冷3He方便实现亚开尔文范围拓展；与强磁场、光学通路等其他物理环境的良好兼容性，显著降低来自制冷机的电磁干扰；便捷地将现有湿式SPM系统改造为无液氦SPM，并可应用在其他需求低温且对振动敏感的领域。

世界范围内的液氦短缺对部分依赖低温环境运行的仪器设备带来了较大影响，这项研究成果采用创新的制冷技术，不仅彻底解决了现有无液氦SPM方案近端安装制冷机的不足，还可应用于其它需求低温且振动敏感的领域，如精密光谱测量、低维材料的微弱电学信息表征等，将助力我国减少对液氦资源的依赖。