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Atomic 'Swiss Army Knife' für präzise Materialmessung für Quantencomputer entwickelt

Atomic 'Swiss Army Knife' für präzise Materialmessung für Quantencomputer entwickelt



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Wissenschaftler haben ein neuartiges Instrument entwickelt, mit dem drei verschiedene Messungen im Atommaßstab gleichzeitig durchgeführt werden können.

Das Gerät wird Forschern helfen, neue Erkenntnisse über die Eigenschaften spezieller Materialien zu gewinnen, die für die Entwicklung der nächsten Generation von Quantencomputern von entscheidender Bedeutung sind.

Auf diese Weise hoffen sie, uns der vielbeschworenen Revolution im Rechnen, die durch Quantencomputer und -geräte ausgelöst wird, einen Schritt näher zu bringen.

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Präzise Messungen im Atommaßstab

Die neue Technologie, die von Wissenschaftlern des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST) entwickelt wurde, ist in der Lage, einzelne Atome abzubilden, Hügel und Täler auf atomarer Ebene auf Metall- und Isolieroberflächen abzubilden und den Stromfluss durch atomdünne Materialien aufzuzeichnen riesigen Magnetfeldern ausgesetzt. Darüber hinaus kann dies alles gleichzeitig erledigt werden.

Das Schweizer Taschenmesser für Messungen im Atommaßstab wurde vom NIST-Forscher Joseph Stroscio und seinen Kollegen, darunter Johannes Schwenk und Sungmin Kim, entwickelt. Das Team hat kürzlich ein detailliertes Dokument zum Bau des Geräts für dasÜberprüfung wissenschaftlicher Instrumente.

"Wir beschreiben eine Blaupause, die andere kopieren können", sagte Stroscio in einer Pressemitteilung. "Sie können ihre Instrumente modifizieren; sie müssen keine neuen Geräte kaufen."

Entscheidend für die Zukunft des Quantencomputers

Da das Instrument gleichzeitig Messungen im Maßstab von Nanometern bis Millimetern durchführen kann, kann es Forschern helfen, die atomaren Ursprünge mehrerer ungewöhnlicher Eigenschaften in Materialien genau zu analysieren, die sich als entscheidend für eine neue Generation von Computern und Kommunikationsgeräten erweisen können.

"Indem wir das Atom mit dem großen Maßstab verbinden, können wir Materialien auf eine Weise charakterisieren, die wir vorher nicht konnten", sagte Stroscio.

Das Instrument enthält drei Präzisionsmessgeräte. Dazu gehören ein Rasterkraftmikroskop (AFM) und ein Rastertunnelmikroskop (STM), mit denen Forscher die mikroskopischen Eigenschaften von Festkörpern untersuchen können. Das dritte Werkzeug wird verwendet, um die makroskopischen Eigenschaften des magnetischen Transports aufzuzeichnen - dh den Stromfluss bei Vorhandensein eines Magnetfelds.

"Keine einzige Art der Messung liefert alle Antworten für das Verständnis von Quantenmaterialien", erklärte der NIST-Forscher Nikolai Zhitenev. "Dieses Gerät mit mehreren Messwerkzeugen bietet ein umfassenderes Bild dieser Materialien."

Erstellen eines Drei-in-Eins-Geräts

Um das Instrument zu bauen, entwarf das NIST-Team kompaktere Versionen bestehender AFM- und Magnettransport-Messgeräte. Anschließend haben sie die Tools in ein vorhandenes STM integriert.

Die einzelnen Teile sind in einem Kryostaten montiert, einem Gerät, das das System auf ein Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Dies minimiert den zufälligen Quantenjitter von Atomteilchen, während großräumige Quanteneffekte ausgeprägter und leichter zu messen sind.

Das Drei-in-Eins-Gerät, das vor externen elektrischen Störungen geschützt ist, ist fünf- bis zehnmal empfindlicher als alle bisherigen ähnlichen Instrumente, so die Forscher.

Das Team, erklärt Stroscio, hatte jahrelang Probleme, das elektrische Rauschen bei den Messungen seines Geräts drastisch zu reduzieren:

"Wir haben jetzt die ultimative Auflösung erreicht, die durch thermische und Quantengrenzen in diesem neuen Instrument gegeben ist", sagte Stroscio.

"Es fühlt sich an, als hätte ich den höchsten Gipfel der Rocky Mountains bestiegen", fügte er hinzu. "Es ist eine schöne Synthese von allem, was ich in den letzten über 30 Jahren gelernt habe."

Da viele glauben, dass eine Revolution im Bereich des Quantencomputers bevorsteht, werden Tools wie diese wahrscheinlich eine große Rolle bei der Entwicklung der Maschinen spielen, die die Zukunft antreiben werden.


Schau das Video: The History of the Swiss Army Knife. Made Here. Popular Mechanics (August 2022).