原标题：世界第一！中国科学院合肥研究所成功研制出混合磁体扫描隧道显微镜
6月16日消息据合肥发布和科学网报道，近日，中科院合肥研究所强磁场中心课题组陆庆友在世界上首次成功研制出混合磁体极端条件下的原子分辨率扫描隧道显微镜(STM)。相关研究成果发表在著名的显微镜领域期刊《超微显微镜》和著名的仪器出版物《科学仪器评论》上。这项工作为使用混合磁体和扫描隧道显微镜进行原子分辨率成像研究铺平了道路。突破目前超强磁场下只能进行输运等宏观平均效应测量的瓶颈，进入物理性质微观起源探索的广阔领域，具有重要的象征意义。
磁场是一种极端情况。对新物理性质的探索越强越好。在磁场环境中，研究人员发现了许多重要的物理现象，包括整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、巨磁电阻效应等。目前，最强的稳定磁场是由混合磁体获得的。由于混合磁体运行过程中强烈振动的干扰，它们只能在国际上用于测量宏观平均效应，如输运、磁性、磁光等。然而，真实空间原子分辨率测量更接近于揭示物理性质的微观量子起源，这对于宏观测量是完全不可替代的，并且在探索新的电子材料/纳米材料、新的物理性质和新的理论方面起着决定性的作用。扫描隧道显微镜可以实现真实空间原子分辨率的测量。
混合磁体扫描隧道显微镜系统：(1)混合磁体照片；混合磁体扫描隧道显微镜系统示意图；STM镜；(i-iv)分别在0T、21.3T、28.3T和30.1T磁场下石墨的原子分辨率扫描隧道显微镜图像。
信息技术研究所了解到，强磁场中心的混合磁体由一个内部水冷磁体和一个嵌套在内部的大口径外部超导磁体组成。其中，内水冷磁体的孔径只有32毫米，这为放置在其中的超导磁体设置了严格的空间限制，而外超导磁体的超大孔径(低温下为920毫米)不可避免地会产生巨大的杂散场，使得超导磁体的电子测量装置需要放置在距离磁体中心8米的地方。除了杂质去除和散射的影响外，内部水冷磁体运行时冷却水流产生的强烈振动和声音干扰也给扫描隧道显微镜的原子分辨率测量带来了很大的困难。在这项工作之前，还没有报道过在混合磁体环境中可以获得原子分辨率的扫描隧道显微镜测量。
LRU研究小组长期致力于恶劣条件下的短时记忆发展。先后研制出多种高刚度、高稳定性的紧凑型压电电机，适用于狭窄空间恶劣振动环境下的原子分辨率成像。它在恶劣的条件下建立了各种各样的短时记忆模型，并获得了30多项国家发明专利。在典型的狭窄空间和强振动环境中，研究小组最近开发了20毫米口径连续流动液氦恒温器STM、第一个国际水冷式磁体(32毫米口径，27特斯拉)STM和第一个干式(无液氦)超导磁体STM，所有这些都获得了高质量的原子分辨率图像。相关结果分别发表在《科学仪器评论》、《纳米研究》和《超微显微镜》上。
在小型蜘蛛驱动电机的基础上，该研究小组提出了一种新的机械式串联扫描隧道显微镜(STM)反射镜，该反射镜带有一个管状粗略近似电机和一个扫描成像单元。主要由外径仅为8.8毫米的蓝宝石绝缘材料制成。参照上述自主知识产权的干式(无液氦)超导磁体的STM设计，可直接插入混合磁体的32毫米室温磁体孔中，并通过二次减振塞真空密封。系统的探针-样品近似控制、扫描和数据采集采用自主开发的模块化低噪声控制
与此同时，研究小组还建立了一套室温环境下的分裂扫描隧道显微镜，用于在超强磁场中对生物分子进行高分辨率成像。该系统通过一个长弹簧从混合磁体的中心悬挂一个螺纹密封的胶囊腔，并从胶囊腔悬挂STM芯镜以减少噪声和振动干扰。经过测试，STM在27.5特斯拉的超磁场下仍然保持原子分辨率。由于在真空和低温环境下没有保护，在混合磁体的超强磁场、超强振动和声音环境下建造室温大气STM更加困难。在此之前，世界上还没有关于水冷磁体或混合磁体的室温大气扫描隧道显微镜的报道。
强磁场科学中心的孟和王继豪是论文的第一作者，侯玉斌是该文的合著者。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院合肥科学中心和中国科学院科学仪器的支持。
