Onderzoekers hebben een compacte verdampingsbron ontwikkeld die het mogelijk maakt om individuele atomen op monsters te plaatsen binnen een scanning tunneling microscoop (STM) die op extreem lage temperaturen werkt. De innovatie lost een langlopend probleem op waarbij stralingsschilden en beperkte ruimte in millikelvin-instrumenten directe depositie vaak onmogelijk maakten.
Het plaatsen van ijle atoomgroepen op gekoelde monsters is een complexe uitdaging in de nanotechnologie. In traditionele scanning tunneling microscopen die voor millikelvin-operaties zijn ontworpen, belemmeren de interne geometrie en de noodzakelijke stralingsschilden vaak de toegang voor depositiebronnen. Volgens een recent wetenschappelijk rapport op arxiv.org is er nu een oplossing ontwikkeld in de vorm van een miniatuur-evaporator die direct in de kop van de STM kan worden geïntegreerd.
Innovatief ontwerp met gloeilamp
De nieuwe bron is vervaardigd uit een commerciële miniatuur gloeilamp en werkt in het milliwatt-bereik. Het ontwerp maakt gebruik van een wolfraamfilament dat is voorzien van een ijzerfilm met een dikte van enkele micrometers. Deze bron is gepositioneerd op een afstand van ongeveer één centimeter van het monster.
Door deze compacte opbouw kan de depositie in-operando plaatsvinden. Dit betekent dat de atomen kunnen worden geplaatst terwijl de microscoop operationeel is, zonder dat er een directe zichtlijn vanaf kamertemperatuur nodig is. Bovendien is het niet langer nodig om mechanische toegang tot de evaporator te creëren na het afkoelen of om beweegbare stralingsschilden te gebruiken, zoals beschreven in de technische details op .
Technische prestaties en stabiliteit
Tijdens de experimenten deponeerden de onderzoekers geïsoleerde ijzeratomen op een substraat van MgO/Ag(100) terwijl de microscoop een temperatuur van circa 5 Kelvin handhaafde. Een cruciaal aspect van deze nieuwe methode is de thermische stabiliteit. Het proces van verdamping zorgde slechts voor een temperatuurstijging van ongeveer 2 Kelvin in het STM-lichaam.
Deze stabiliteit stelt wetenschappers in staat om exact hetzelfde nanoscopische oppervlak te scannen zowel vóór als na de depositie. De laterale verschuiving van het oppervlak bleef hierbij beperkt tot minder dan 5 nanometer. Om de aanwezigheid van de ijzeratomen te bevestigen, maakten de onderzoekers gebruik van differentieel-conductantie spectra, waarbij symmetrische inelastische stappen rond $\pm$14 mV de identiteit van de atomen als ijzer bevestigden, aldus de data via .
Capaciteit en samenwerking
De onderzoekers schatten dat de lokale depositieflux ongeveer $1,5\times10^{-5}~\mathrm{nm^{-2}\,s^{-1}}$ bedraagt. Op basis van deze cijfers wordt de nominale levensduur van de evaporator geschat op circa 150 uur.
Aan het project waren diverse instellingen betrokken, waaronder het Peter Grünberg Institute (PGI-3) van het Forschungszentrum Jülich en de RWTH Aachen University, zoals vermeld in de auteurslijst op . Ook mProbes GmbH droeg bij aan het onderzoek.
Hoewel andere platforms zoals aip.org, researchgate.net en nlnih.gov vaak dienen als distributiekanalen voor dergelijke wetenschappelijke doorbraken, is de primaire technische documentatie voor deze specifieke ontwikkeling momenteel ontsloten via de arXiv-preprintserver. De ontwikkeling biedt een significante verbetering voor onderzoekers die werken aan quantum-informatietechnologie en nanostructuren op atomaire schaal.