Микроскоп для отслеживания рецидивов

Рекуррентный следящий микроскоп (RTM) — это микроскоп , основанный на явлении квантовой рекуррентности атомного волнового пакета. Он используется для исследования наноструктуры на поверхности.

История

В 2006 году Фархан Саиф использовал явление квантовой рекуррентности волнового пакета в качестве зонда для изучения наноструктур на поверхности, назвав его «Микроскоп слежения за повторением» (RTM).

Фон

Явление туннелирования сканирующего используется в качестве зонда для изучения наноструктуры на поверхности с помощью туннельного микроскопа (СТМ). СТМ — мощное устройство для просмотра поверхностей на атомном уровне. СТМ может использоваться не только в сверхвысоком вакууме, но также в воздухе и ряде других сред и при температурах от почти нуля до сотен Кельвинов . Эта идея была развита при создании атомно-силового микроскопа (АСМ). Это сканирующий зондовый микроскоп очень высокого разрешения с разрешением долей нанометра. АСМ — один из передовых инструментов для визуализации, измерения и манипулирования материей на наноуровне. Применение RTM включает в себя визуализацию и измерение поверхностных элементов размером до одного нанометра в научно-исследовательских лабораториях, а также процесс контроля окружающей среды.

Дизайн

РТМ состоит из магнитооптической ловушки (МОЛ), внутри которой удерживаются сверххолодные атомы; б) поверхность диэлектрика , над которой получается зеркало с затухающей волной за счет полного внутреннего отражения монохроматического лазера от диэлектрической пленки; в) кантилевер , прикрепленный к диэлектрической пленке другим концом над исследуемой поверхностью.

Экспериментальная установка РТМ содержит захваченные атомы, которые движутся к атомному зеркалу под действием гравитационной силы. Зеркало состоит из исчезающего волнового поля, которое меняется экспоненциально в зависимости от расстояния от поверхности. Следовательно, атомы испытывают ограниченное движение при наличии одновременно оптического потенциала и гравитационного потенциала. Динамика атома над атомным зеркалом контролируется эффективным гамильтонианом:

$H={P^{2} \over 2m}+mgz+V_{0}e^{-kz}\quad (1)$

где $p$ представляет собой центр массы импульса, $m$ - масса атома и $g$ — постоянное гравитационное ускорение.

Атомный волновой пакет развивается классически в течение короткого периода времени и вновь появляется после классического периода. Однако через несколько классических периодов он распространяется по всему доступному пространству, следуя волновой механике , и коллапсирует. Благодаря квантовой динамике он восстанавливается через определенный промежуток времени. Этот процесс называется квантовым возрождением атомного волнового пакета, а время, в которое он снова появляется после коллапса, называется временем квантового возрождения. Время квантового возрождения атома в RTM рассчитывается путем нахождения волновой функции гамильтониана, приведенной в уравнении 1.

Статический режим

Для исследования поверхности произвольной структуры РТМ используется в статическом режиме. То есть атом падает на статическое атомное зеркало, не перемещая исследуемую поверхность. Его эволюция над атомным зеркалом требует определенного положения кантилевера. Атом демонстрирует квантовое возрождение в несколько раз.

При незначительном перемещении исследуемой поверхности положение кантилевера меняется при наличии поверхностной структуры. Следовательно, изменяется начальное расстояние между атомным зеркалом и прыгающим над ним атомом. Это изменение приводит к созданию начальной энергии атома и, следовательно, к другому времени восстановления. Для каждого нового времени возрождения рассчитывается соответствующая энергия. Этот процесс приводит к знанию структуры поверхности, а высота поверхности варьируется до одного нанометра.

Сравнение

Преимущества РТМ перед СТМ и АСМ заключаются в следующем: а) можно исследовать поверхности всех видов материалов, от проводников до изоляторов; б) поверхности из примесей можно изучать, не наблюдая их, как это произошло в СТМ; и в) в динамическом режиме работы РТМ простейшим образом предоставляет информацию о поверхности с периодическими структурами.