冲破挑战丨美国RHK PanScan SPM系统集成方案助力麻省理工学院温研究
发布日期：2021-03-04
RHK CUSTOMER SUCCESS IN MIT
RHK公司一直致力于服务全球各大科研高校，尤其在商业化定制低温无液氦产品，扫描隧道显微镜控制器，以及系统集成方案设计与优化等方面解决了科研用户的诸多问题，同时在与科研单位不断地沟通反馈中也在不断地增强自我学习和产品的不断更新换代，大程度的将产品的优势与用户需求结合。为了让大家能更进一步了解RHK产品的特点，除了以往标准的商业化Pan式系统与R9plus控制器之外，本文将重点向大家分享RHK公司PanScan SPM扫描头集成到客户自制系统的经典案例，以及研究小组如何利用RHK的PanScan SPM扫描头来克服时间、资金和独特要求所带来的的挑战，成功地将客户特殊研发定制的UHV SPM系统，包括无液氦、LHe bath、以及温300 mK和外加强磁场等功能高度集成，终取得前沿成果，并发表在高影响力的期刊上。希望大家能够在案例中得到启发和帮助。
研发背后的故事
作为一所世界知名大学的资深研究科学家，来自MIT的穆德拉博士已经将目光投向了一项开创性的实验，即在金属表面探测马约拉纳费米子。这将需要一个高度稳定的STM，它需要在毫开尔文温度下工作，并且能够在5T的面内磁场中精确旋转。
没有商业STM能够具有这种能力，因此需要开发一种定制仪器。MIT需要选择一家供应商来应对这一项艰巨、高风险任务中所面临的复杂挑战，以及为什么认为产品供应商能够应付自如，确保成功！
穆德拉博士在一次美国物理学会会议上了解到RHK的低温扫描头和R9plus控制器。现场低温无液氦PanScan Freedom系统的演示操作在RHK的展台上顺利进行，无需额外减震台，周围展会现场的复杂环境下，也能轻松实现原子分辨率结果，更不需要特殊的系统隔离环境噪音和振动，这让穆德拉印象格外深刻。
“The real time demo of atomic scale imaging of a topological insulator surface at the APS March meeting, in that essentially street level setting with the cryogenic compressor running is simply awesome. All these physicists walking by and tapping on it did not make any difference… It is very impressive!”
虽然RHK的PanScan和R9plus控制系统已经很成熟，但对于个性化定制的mK系统来说，还是会存在很多不确定性和挑战。穆德拉博士需要选择一个mK低温恒温器，同时mK低温恒温器的设计需要配有一个专门的可拆卸扫描头，并要求安装在一个非常高的低温恒温器的底部。Janis Research被选中提供mK低温恒温器。超导磁体部分则由低温磁体Cryomagnetics提供。
随后，RHK和Janis同意合作，利用他们多年的经验来设计一个具有独特功能的系统，该系统不会影响扫描头和低温恒温器的性能。RHK在保持核心PanScan扫描头功能标准的同时，建立了独特且稳固的线路信号传输系统，将扫描头牢牢固定在低温恒温器底座的磁铁内部。
除此之外，RHK还设计了另一种灵活机制，可以使扫描头在恒温器底座直接解锁，轻松将扫描头升起传送到load lock的第二级。这个操作位置可以允许室温下快速更换探针和样品，并且能够在扫描头返回低温恒温器底部之前直观反馈室温操作情况，从而有效消除冷却循环与不完善的针尖或样品带来的热量损失，大大提高工作效率并节省大量的氦气。
所有RHK元件的设计都与Janis mK低温恒温器的结构和几何结构兼容。两者按设计可以相互操作，成像时可达到并保持350 mK的温度。这个定制的联合工作系统目前已经在麻省理工学院Moodera博士的实验室安装和测试，运行非常顺利，并提供了强大的成像性能。以下图片是他发表的研究摘录。
“Having worked with an STM for a couple of years, I can clearly appreciate the magnitude of this fantastic accomplishment by RHK Technology. I am totally confident in our choice…a custom built mK STM/nc-AFM from RHK”
现在Moodera博士正与RHK合作，通过重新设计扫描头内部架构来拓展他的STM系统能力，以整合先进扫描功能。RHK无偿提供扫描头设计图纸和技术支持，以使他们能够在挑战性的未来实验中充分发挥RHK产品特点。
SYSTEM
定制的PanScan STM头安装在Janis研究公司的300 mK He3低温恒温器中，系统内部扫描头可原位传送中转腔load lock，用于样品/针尖更换，同时在冷却mK基准温度前可进行成像前探针和样品测试，确定样品和探针的工作状态。冷却后的扫描头可以在磁场中旋转，即使没有任何内部主动隔振，整体设计也可以确保系统的高稳定性和噪音。
Figure 1 MIT系统内部集成设计效果实物展示
Figure 2 具体产品设计细节展示
RESULTS
Figure 3 Superconductivity in the Surface State of Noble Metal Gold and its Fermi Level Tuning by EuS Dielectric； Physical Review Letters PHYSICAL REVIEW LETTERS 122, 247002 (2019)
Figure 4 Signature of a pair of Majorana zero modes in superconducting gold surface states； Proceedings of National Academy of Science PNAS April 21, 2020 117 (16) 8775-8782
