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中科艾科米团队研发新一代无液氦亚3K低温扫描探针显微镜系统

近日，中科艾科米研发团队联合中国科学院物理研究所、中国科学院半导体研究所、北京飞斯科科技有限公司在《科学仪器评论》杂志上发表文章【Rev. Sci. Instrum. 94, 093701 (2023); doi: 10.1063/5.0165089】，详细介绍了研发的基于远端液化的全新无液氦亚3K低温扫描探针显微镜系统。该系统创新性地采取将具有大幅低频震动的制冷机安装在远端的独立制冷腔体的方案，实现了约2.8K的基础温度、近±0.1mK的温度稳定性、约1pm震动水平、小于10pm/h的温度漂移，能够在低温到室温宽温区范围内连续变温成像。

图1.《科学仪器评论》杂志网站截图

此外，通过非接触原子力显微镜原子级分辨成像、扫描隧道谱以及非弹性电子隧道谱等测试数据证明，该套系统性能与基于液氦杜瓦的湿式SPM系统相当。

图2.无液氦亚3K低温扫描探针显微镜系统

低温是物理学前沿研究不可或缺的手段，当前普遍采用液氦降温的方式，而液氦因其稀缺性，其供应受诸多因素影响，因此无液氦制冷方式逐渐成为主流方向。在无液氦SPM研制方面，世界范围内已有多个团队开展相关工作，均采用近端制冷的方案。此种制冷方案虽然可实现无液氦制冷，但基于单级制冷模式基础温度最低仅能达到5K水平，且具有不耐烘烤、磁场敏感、橡胶波纹管渗透结冰、安装角度受限及升级难等诸多弊端。

本次中科艾科米参与研制的新一代无液氦亚3K低温扫描探针显微镜系统，创新性地采取闭循环远端制冷方案，最低温度可达3K以下，更规避了近端制冷方案的诸多弊端。新方案可便捷地移植到现有湿式SPM系统上，对其进行无液氦化升级改造，而且可以方便地与光学、强磁场等多物理场环境耦合。更重要的是，通过结合多级制冷，有望实现亚K乃至毫K温区的极低震动制冷。

图3. 已有基于液氦杜瓦的湿式SPM系统升级成远端制冷闭循环无液氦SPM的方案示意图

众所周知，我国已经是世界上最大的氦气消费国之一，而我国氦资源极其稀缺，据估计氦气资源总量约11亿立方米，其中可直接采收的总量约0.5亿立方米，不到全球储量的0.1%，严重依赖进口，近年来对外依存度更是高达95％以上。该系统的出现，不仅将为凝聚态物理研究、材料科学、生物医学等领域提供一种高性能的低温低振动技术，更为相关领域破解“液氦之困”提供了新思路。

未来，中科艾科米将继续坚持以科研工作者的需求为导向的理念，深耕纳米材料表征、纳米材料制备领域，专注超高真空扫描探针显微镜（SPM）系统、分子束外延（MBE）系统及相关核心部件、电控仪器的研发。努力为更多的国内外科研工作者提供高水平、高性价比的技术解决方案，为开展高水平基础科学研究提供有力支撑，为我国实现高水平科技自立自强贡献力量！

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0165089