Микроскоп с отслеживанием рецидивов - Recurrence tracking microscope

А микроскоп для отслеживания повторений (RTM) - это микроскоп это основано на явлении квантовой повторяемости атомного волнового пакета. Он используется для исследования наноструктуры на поверхности.

История

В 2006 году Фархан Саиф использовал явление квантового повторения волнового пакета в качестве зонда для исследования наноструктур на поверхности, назвав его Микроскоп для отслеживания рецидивов (RTM).[1][2]

Фон

В туннелирование Явление используется в качестве зонда для изучения наноструктуры на поверхности с помощью сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).[3][4][5][6][7][8] STM - это мощное устройство для просмотра поверхностей на атомарном уровне. STM можно использовать не только в сверхвысоком вакууме, но также на воздухе и в различных других средах, а также при температурах от почти нуля до сотен градусов по Цельсию. кельвин. Эта идея была расширена, чтобы создать атомно-силовой микроскоп (АСМ),[9][10][11][12] это тип очень высокого разрешения сканирующий зондовый микроскоп с разрешением долей нанометра. АСМ - один из передовых инструментов для получения изображений, измерения и манипулирования материей в наномасштабе. Применение RTM включает в себя визуализацию и измерение поверхностных элементов, размеры и размеры которых составляют всего один нанометр, в исследовательских и опытно-конструкторских лабораториях, а также процесс контроля окружающей среды.

Дизайн

RTM состоят из магнитооптической ловушки (МОЛ), внутри которой захвачены сверххолодные атомы; б) а диэлектрик поверхность, над которой затухающее волновое зеркало получается полное внутреннее отражение монохроматического лазера из диэлектрической пленки; и в) а консоль прикрепляется к диэлектрической пленке другим концом над исследуемой поверхностью.

Экспериментальная установка RTM содержит захваченные атомы, которые движутся к атомному зеркалу под действием гравитационной силы. Зеркало состоит из затухающего волнового поля, которое экспоненциально изменяется в зависимости от расстояния от поверхности. Следовательно, атомы испытывают ограниченное движение в присутствии оптического и гравитационного потенциалов вместе. Динамика атома над атомным зеркалом контролируется эффективным гамильтонианом:

куда представляет собой центр масс импульса, масса атома и - постоянное ускорение свободного падения.

Атомный волновой пакет классически эволюционирует в течение короткого периода времени и снова появляется после классического периода. Однако после нескольких классических периодов он распространяется по всему доступному пространству после волновая механика и рушится. Благодаря квантовой динамике он восстанавливается через определенный период времени. Этот процесс называется квантовым возрождением атомного волнового пакета, а время, в которое он появляется снова после коллапса, называется временем квантового возрождения. Время квантового возрождения атома в RTM рассчитывается путем нахождения волновой функции для гамильтониана, заданной в уравнении 1.

Статический режим

Для исследования поверхности произвольной структуры используется RTM в статическом режиме. То есть атом падает на статическое атомное зеркало, не перемещая исследуемую поверхность. Его эволюция по атомному зеркалу требует определенного положения кантилевера. Атом демонстрирует квантовые пробуждения в несколько периодов возрождения.

Поскольку исследуемая поверхность немного перемещается, положение кантилевера изменяется при наличии структуры поверхности. Следовательно, начальное расстояние между атомным зеркалом и прыгающим атомом над ним изменяется. Это изменение приводит к созданию начальной энергии для атома и, следовательно, к другому времени возрождения. Для каждого нового времени возрождения рассчитывается соответствующая энергия. Этот процесс приводит к знанию структуры на поверхности, а высота поверхности варьируется до одного нанометра.

Сравнение

Преимущества RTM перед STM и AFM включают: a) можно исследовать поверхности всех видов материалов, от проводников до изоляторов; б) поверхности из примесей можно изучать, не наблюдая за ними, как это произошло в СТМ; и c) в динамическом режиме работы RTM предоставляет информацию о поверхности с периодической структурой самым простым способом.

Рекомендации

  1. ^ Саиф, Фархан (22 марта 2006 г.). «Рецидивный трековый микроскоп». Физический обзор A. Американское физическое общество (APS). 73 (3): 033618. arXiv:Quant-ph / 0604019. Дои:10.1103 / Physreva.73.033618. ISSN  1050-2947.
  2. ^ Саиф, Фархан (2005). «Классический и квантовый хаос в атомной оптике». Отчеты по физике. Elsevier BV. 419 (6): 207–258. arXiv:Quant-ph / 0604066. Дои:10.1016 / j.physrep.2005.07.002. ISSN  0370-1573.
  3. ^ Binnig, G .; Rohrer, H .; Гербер, гл .; Вейбель, Э. (10 января 1983 г.). «Реконструкция 7 × 7 на Si (111), разрешенная в реальном пространстве». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 50 (2): 120–123. Дои:10.1103 / Physrevlett.50.120. ISSN  0031-9007.
  4. ^ Binnig, G .; Rohrer, H .; Гербер, гл .; Вейбель, Э. (5 июля 1982 г.). «Исследования поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 49 (1): 57–61. Дои:10.1103 / Physrevlett.49.57. ISSN  0031-9007.
  5. ^ Binnig, G .; Rohrer, H .; Гербер, гл .; Вейбель, Э. (15 января 1982 г.). «Туннелирование через регулируемый вакуумный зазор». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 40 (2): 178–180. Дои:10.1063/1.92999. ISSN  0003-6951.
  6. ^ Tersoff, J .; Хаманн, Д. Р. (15 января 1985 г.). «Теория сканирующего туннельного микроскопа». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 31 (2): 805–813. Дои:10.1103 / Physrevb.31.805. ISSN  0163-1829.
  7. ^ Бардин, Дж. (15 января 1961 г.). «Туннелирование с точки зрения многих частиц». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 6 (2): 57–59. Дои:10.1103 / Physrevlett.6.57. ISSN  0031-9007.
  8. ^ Чен, К. Джулиан (1990). «Происхождение атомного разрешения на металлических поверхностях в сканирующей туннельной микроскопии». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 65 (4): 448–451. Дои:10.1103 / Physrevlett.65.448. ISSN  0031-9007.
  9. ^ Лапшин, Ростислав В (2 июля 2004 г.). «Методология ориентированного сканирования для зондовой микроскопии и нанотехнологий». Нанотехнологии. IOP Publishing. 15 (9): 1135–1151. Дои:10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN  0957-4484.
  10. ^ Хамфрис, А. Д. Л .; Майлз, М. Дж .; Хоббс, Дж. К. (17 января 2005 г.). «Механический микроскоп: Скоростная атомно-силовая микроскопия». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 86 (3): 034106. Дои:10.1063/1.1855407. ISSN  0003-6951.
  11. ^ Д. Сарид, Сканирующая силовая микроскопия (Oxford Series in Optical and Imaging Sciences, Oxford University Press, Нью-Йорк, 1991).
  12. ^ В. Дж. Моррис, А. Р. Кирби, А. П. Ганнинг, Атомно-силовая микроскопия для биологов (Imperial College Press, 1999).