北京
低溫環(huán)境是研究非常規(guī)超導、拓撲量子態(tài)及量子信息等諸多前沿物理的關鍵條件。傳統(tǒng)“濕式”制冷受限于液氦儲量及資源緊缺，難以滿足長效科研需求。隨氦氣閉循環(huán)技術突破，無液氦的“干式”系統(tǒng)憑借長效連續(xù)運行等優(yōu)勢，已成為科研儀器的主流方向。然而，干式系統(tǒng)伴隨的機械震動對高靈敏物理測量構成嚴峻挑戰(zhàn)。尤其是對皮米級分辨率的掃描探針顯微系統(tǒng)而言，如何在無液氦條件下實現(xiàn)極低的震動水平，仍是當前精密科學儀器領域的瓶頸。
此前，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心郇慶團隊基于國際首創(chuàng)的“遠端液化無液氦閉循環(huán)”技術理念，成功研制出震動噪聲水平可媲美傳統(tǒng)濕式系統(tǒng)的無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡（Rev. Sci. Instrum. 94, 093701 (2023)）；聯(lián)合國內北京大學、中國科學技術大學等優(yōu)勢單位聯(lián)合開發(fā)了一系列功能化無液氦掃描探針顯微鏡：可進行電子自旋共振測量的無液氦亞2K低溫掃描探針顯微鏡；實現(xiàn)埃米級光譜學成像能力的無液氦光耦合掃描探針顯微鏡系統(tǒng)，（ASI, 100011（2026））。
圖 無液氦亞K強磁場掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)模型與部分性能結果
近日，中國科學院物理研究所郇慶團隊聯(lián)合中科艾科米（北京）科技有限公司、北京飛斯科科技有限公司，基于“遠端液化無液氦閉循環(huán)”的技術路線，成功研制出一套新型無液氦亞K強磁場掃描隧道顯微鏡（STM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備兩種制冷工作模式：?He??He模式與?He?3He模式，其系統(tǒng)基礎溫度（有效電子溫度）分別可達894 mK（1.06 K）和420 mK（610 mK），并可兼容室溫孔徑超導磁體。通過數(shù)月的連續(xù)測試驗證，該系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度穩(wěn)定性接近±0.1 mK，震動水平小于1pm，從低溫到室溫寬溫區(qū)內連續(xù)變溫成像，0-5T連續(xù)變場，并能夠穩(wěn)定運行數(shù)月。其性能達到了與傳統(tǒng)液氦杜瓦的濕式STM系統(tǒng)相媲美的水平。相較已有液氦杜瓦的濕式STM方案的低溫維持時間有限、運行成本高、烘烤受限、所需安裝空間較大等諸多問題，該系統(tǒng)展現(xiàn)著長期連續(xù)運行、寬溫域可調、可高溫烘烤、系統(tǒng)高度兼容常規(guī)實驗室、無需地下安裝空間與磁體配置靈活等諸多優(yōu)勢。該系統(tǒng)的成功研制不僅標志團隊已研發(fā)具備自主知識產權的亞K強磁場掃描隧道顯微鏡，也為量子材料、拓撲超導材料、原子級制造等基礎科學領域研究提供了高端科學儀器支撐。
該研究工作由中國科學院物理所馬瑞松副研究員、博士生黃遠志為共同第一作者，郇慶研究員為通訊作者。相關成果以“A continuous-operation sub-Kelvin scanning tunneling microscope with high magnetic field via a remote liquefaction cryogen-free scheme”為題發(fā)表于Review of scientific instruments上（Rev. Sci. Instrum.97, 053701 (2026)）。研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院科研儀器研制項目、北京市自然科學基金的支持。
供稿 | 中國科學院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國家研究中心N13組
來源：表界面
編輯：子木
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