无液氦测量的挑战与解决方案
2019年2月28日

如何定义“Cryofree”

Cryofree™是牛津仪器的商标术语,用于描述我们所有无需通过液态制冷剂实现低温的产品。

一直以来,液态制冷剂在低温研究和液化气体等工业领域中扮演着重要角色。如今科研中最常用的制冷剂分别是液氮——沸点温度为77K(-196 ℃)以及液氦——沸点温度为4.2K(-269 ℃)。

价格昂贵,潜在的危险性以及供不应求都是液态制冷剂在使用中面临的问题。因此,通过电力驱动制冷的闭循环制冷机(这与家用冰箱很相似)基本上可以取代这种传统的制冷方式,并开拓了很多以之前手段无法实现的新应用。

 

研究人员在进行低温观测时面临哪些挑战?

通常,硅二极管、热电偶和Ruo2半导体器件等一些用于测量温度的二次校准传感器,既可用作指示器,也可作为控制和反馈回路的一部分。

在极低温下精密测量中使用的温度传感器,是通过被测物质的固有特性(例如测量放射性衰变或电噪声)来进行标定的。

从低温恒温器中获得的制冷量、内部冷却过程、来自恒温器外部的环境热辐射、以及测量本身的热辐射,这些都是影响控制测量温度达到动态热平衡的因素。

实验要考虑到本身电、热、磁和光产热对温度的影响,故而需要将温度测量和加热器整体作为控制反馈回路来实现温度控制。牛津仪器有一系列温度传感器和控制器,来适应不同的温度和磁场环境。

 

纳米器件对静电释放(ESD)带来的损害十分敏感。随着器件尺寸的越来越小,挑战随之增大。因此,无论是在室温下、连接到芯片载体时、放入低温恒温器时、热交换时或者连接外部测量设备时,样品处理对于低温测量的顺利进行都是至关重要的。

我们提供的SampleProtect™信号偏压和接地开关系统可以用来保护敏感器件。该系统可在室温(处理和储存样品时)和低温(测量前、测量中和测量后)下工作。我们同时还提供多种样本加载和卸载选项,以适应客户的不同应用。

器件一旦进入低温恒温器,将会与外界环境相隔离。器件位置角度与测量、外加磁场或入射光有着密切联系,因而器件定位也是实验的关键。我们能为客户提供一系列定位机制,并在测量间隙重新定位样品。

随着研究方向从具有晶体定向特性的块材转移到具有高度各向异性的薄膜和纳米线,样品的定位也变得越来越重要。定位可以通过机械旋转完成,也可通过集成压电位移器驱动来完成。压电位移器可用于样品上的光聚焦,或在外加磁场下转动样品。

最后,如果测量方案很复杂(如扫描探针显微镜),或者器件的信号线必须固定不动(如使用GHz频率半刚性同轴电缆),我们可以将2个或更多的超导磁线圈耦合在一起,施加多个方向的磁场来实现二维甚至三维空间下磁场的偏转。这种矢量磁体在量子比特和自旋物理学研究中有着越来越多的应用。

测量就是将探测信号发送给样品,并收集响应信号的过程。测量手段有很多种,通常我们提供的是:

  • 通过导光管或窗口作为自由空间中的光学通道;
  • 通过光纤进行光接入
  • 通过分裂线圈实现中子、μ子和X射线的束线通道,
  • 金属窗片
  • 通过康铜或铜双绞线作为低频电学通道;
  • 采用不锈钢软同轴电缆传输MHz射频信号
  • 采用不锈钢、铜镍或铌钛材质的半刚性同轴电缆传输GHz微波信号。

这些通道需要平衡恒温器内外的“连通”与随之引入的热负载,同时也要考虑噪声的减少和干扰的屏蔽。

确保良好的接地和滤波是必要的,对于大多数应用来说这意味着要对被测信号进行低温放大,以便在噪声严重衰减的背景下增强微弱的测量信号。

对于研究人员来说,在噪声中寻找信号是一项长期任务,而消除噪声源本身也是一项重要实验。比如说可将中子吸收材料镀在光束周围,来有效减少通过低温恒温器的杂散反射。

对于需要在低温下进行灵敏测量的用户来说,另一大问题是振动以及外部和内部机械噪声源对测量结果的影响。对于某些应用,特别是在无制冷剂情况下,这是一个重要的考量因素。

然而,对于构造设计良好、选材考究并做到良好隔离的系统来说,这并不是问题。我们的工程师面临的挑战是如何明确定义“低振动”,以及确定研究人员重视的频率范围。通常来说,低频解决方案与高频解决方案有很大的不同。

 

牛津仪器纳米科学部门提供的4K系列如何实现低温?

我们的4K恒温器是通过液氦或闭式循环冷却器(无液氦系统)来实现低温。

我们的光谱学以及显微恒温器可采用液氦连续流的方式运行,氦液体或气体通过低损耗输液管从储存罐流向低温恒温器,并在与样品端进行热交换后排出。

另一方面,我们的无液氦低温恒温器通过外部回路将压缩氦气循环至冷头,通过一系列阀门和膨胀室产生低温。冷头和样品端之间的导热,可采用如无氧高纯度铜等导热性良好的材料来实现。

 

底部加载与顶部加载的低温恒温器机制有何区别?

正如前文提到的,在低温恒温器中换样是样本处理和测量效率的一个重要方面。我们为用户提供了多种样品装载方式:使用样品测量杆进行装载——通常装入交换气体中(称为顶部加载),或利用样品架或器件载台来直接装载在真空冷端中(称为底部加载)。客户的实验或实验室布局往往决定了使用哪种样品装载方式更加适合。

 

研究人员如何知道牛津仪器提供的无液氦解决方案更适合他们的具体应用?

由于产品的应用范围广泛,这可能会很棘手。近期我们一直致力于技术培训,并且拓展应用导向型文献,以便让我们能够快速确定适合客户需求的产品。

我们最近还推出了全新的网站,在产品页面旁边添加了应用程序页面。此外,我们正在创建一个包含许多应用节点的网络,基于客户应用面临的测量问题给出解决方案。我们希望提供给研究者有关不同技术连接性的信息以及它们之间的差异。

这个项目我们命名为“Pathways”,目前还处于早期阶段,每个月都会推出一个新的节点,把潜在客户需要注意的不同因素联系起来。

 

牛津仪器纳米科学部能为需要在磁场环境中进行的低温实验提供什么解决方案?

结合我们在低温与超导磁体的专业知识,我们可以将4K低温恒温器去适配超导磁体。

我们同时提供液氦和无液氦的低温磁体系统,并将它们与Integra“湿”式和Teslaton“干”式这两个平台结合起来,同时搭配一系列超导磁体和样品测量杆以及深低温插杆,来满足室温到mK温度下的测量需求。

 

你认为低温技术将如何推进量子技术?

现如今这是一个热门话题。世界各地正在有大量的政府和民间投资进入量子技术领域。

时钟、成像、传感、密码学、计算和模拟都是量子研究和技术发展的重要主题,我认为其中量子计算和模拟是目前最有低温需求的领域。

超导磁通量子比特、自旋量子比特还有拓扑量子比特有很多结构,但它们的共通点都是需要在低温下才能发挥作用。当然,目前也有两种可以在室温下运行的方法(需要真空环境或者其他特殊条件)——金刚石氮和光学离子阱。

从长远来看,我预计信号调制和控制系统将从室温转移到低温,以改善控制电路的延迟和噪声。这可能也将进一步扩展到其他暂时不需要低温的量子比特类型的控制上。

展望未来,量子传感是一个越来越受关注的领域,在工业和医学领域具有巨大的潜力。随着技术发展,未来的系统可能需要结合低温技术。总的来说,这是一个令人兴奋的领域,我们很乐于去关注我们客户所取得的惊人进展。

 

更多信息

我们的网站有很多产品和应用的详细信息以用来收集更多信息和规格数据表,Pathways应用节点有更多的详细信息、客户案例、应用程序文件和视频。

  • https://nanoscience.oxinst.com/
  • https://nanoscience.oxinst.com/campaigns/pathways

 

关于Michael Cuthbert

Michael Cuthbert博士在格拉斯哥大学化学物理本科学习和伦敦帝国理工学院高温超导博士学位之后,在布里斯托尔大学利用高达60T的脉冲磁场和极低温进行了mK温度下的超导研究。1998年加入牛津仪器后,Michael Cuthbert博士之前负责日本和整个亚洲从事技术和商务工作,之后负责北美地区的销售和市场工作。

自2008年以来,Cuthbert博士一直在牛津仪器担任多项技术和商务领导职务。Cuthbert博士目前是牛津仪器纳米科学公司的业务发展和战略营销总监,并领导牛津仪器公司的量子技术市场部门。Cuthbert博士作为物理研究所以及多个咨询小组的成员,一直以来积极倡导技术与科学在社会中重要性,并且向牛津郡当地学校推广STEM课程(科学,技术,工程,数学教育总称)。