Zurich Instruments时事通讯 - Q3/2017版

社论

欢迎阅读 2017 年第三季度的新闻通讯。

针对可扩展测量解决方案的市场需求正在不断增长。此类解决方案将多种信号生成和分析仪器无缝连接。此类功能是本月受访者 Philip Moll在研究新材料时所赏识的,同时也是未来量子计算不可或缺的功能。考虑到上述情况,我们近期在瑞士 CTI 政府项目中为我们的锁相放大器和任意波形生成器开发了多设备同步技术。下文介绍了这种新功能,现可通过最新 LabOne 型号进行使用。与之前的型号相同,最新型号免费向所有客户开放。

我们还举行了首届 SPM 用户会议。此次会议由Angelika Kuehnle 教授的小组主持,举办地为德国美因茨。在为期两天的活动中,Zurich Instruments 用户积极沟通,亲密无间地开展知识交流。特邀报告、组内辅导课和海报展示是与会者喜闻乐见的活动形式。我们已经开始着手准备明年的后续活动。您是否希望加入其中?给我们留言即可

在应用层面,我们重点介绍一些新测量方案,以进行时间分辨 SPM。此外,我们发布了一个展示 MFIA 阻抗分析仪的新视频。这是市场中唯一一款测量范围达到 1 mΩ 至 1 TΩ 的分析仪,可在最大测量范围内提供 0.05% 的精度。

最后,我们公布了学生旅行经费补助的获奖者。查看这些获奖者,了解他们热衷的研究领域。

Zurich 向获奖者表示祝贺!

LabOne 的优势技术:多设备同步

您是否有需要使用多个同步信号输入和信号输出通道的应用程序? 那么,您可能十分了解,仅仅叠加一些仪器往往是不够的。

完全同步包括各种参考时钟之间的稳定、明确的相位关系、在规定时间同步信号输出的能力以及为已记录信号调整时间戳和采样率。 按照理想的做法,您必须只使用单一用户界面或 API 来安排整个仪器总成。

苏黎世仪器公司致力于为客户提供综合方法并为他们的仪器打造一流的可扩展性。 从 LabOne 17.06 开始,同时操作多个苏黎世仪器公司设备的用户现在将能够通过单一实例的 Labone 来同步仪器和使用仪器。

  • 时钟同步: 将所有内部仪器时钟锁定至主时钟
  • 时间戳同步: 调整不同仪器所采用的测量采样率和时间戳,以便于进一步处理
  • UHFAWG 输出沿同步: 在序列中的任一点调整信号生成引擎,以产生带有明确的最大偏移的沿。
  • UHFAWG 定序器同步: 从一个具有分布式执行功能的单一定序器程序控制多个 AWG 仪器的输出

多设备同步还包括用户界面和 API 上的 LabOne 工具集。 下列数据采集和数据分析工具已准备好进行多设备同步:

  • 扫描发生器: 在单一用户界面或 API 上,扫描一个仪器上的参数并采集来自多个仪器的数据
  • 绘图机: 在单一绘图机窗口中分析在多个仪器上获得的测量值
  • 软件触发器: 在单一软件触发器窗口中触发任何信号并从多个仪器采集一些经过校准的数据
  • 持续记录经过校准的数据: 从多个已同步的仪器上通过用户界面和 API 记录完全同步的锁定、Boxcar、PID、运算部件 (AU)和范围数据

新视频:高精度阻抗分析仪

在最新的视频中,应用经理 Tim Ashworth 为我们介绍了 Zurich Instruments MFIA。这是首款具备数据验证功能的阻抗分析仪,我们称之为“精确顾问”。MFIA 可以在较大阻抗范围(1 mΩ 至 1 TΩ)和较大频率范围(1 mHz 至 5 MHz)进行精确测量。此外,这款仪器还具备完整的锁相放大器功能、示波器、频谱分析仪和软件触发器。借助 LabOne 仪器控制软件,用户可以快速无误地获取精密阻抗数据。

观看视频以了解详细内容。

学生旅行经费补助

我们特此感谢所有向 2017 年旅行经费补助计划提交论文的同学们。与前几年一样,我们可以藉此良机了解全球不同研究小组从事的伟大科研工作。

2017 年补助金的获奖者是:

在此恭喜各位获奖者。这项计划将在 2018 年春季再次启动!

Avik Dutt

María-Isabel Pérez Camacho

Margus Metshein

Avik, María Isabel 和 Margus,你们可否分享一下 Zurich Instruments 的设备如何为各位的工作与研究提供帮助?您在使用这些仪器时有哪些美妙的工作体验?

Avik:“借助 Zurich Instruments MFLI,我能够通过线宽为 200kHz 的狭窄滤波器腔锁定激光器 (RIO Orion) 的频率,从而抑制激光器中频率超过 2MHz 的过量相位噪声。这种滤波后的激光器对于量子噪声测量(特别是压缩态光表征)至关重要,原因是激光器中任何多余的传统噪声均对压缩度产生负面影响。

我喜欢高带宽以及输出滤波器的优越滚降特性。与其他锁相放大器相比,这款仪器针对空腔中的激光执行更加稳定,鲁棒性更强、更为持久的锁相操作。对于我研究的频率范围(高于 2MHz 的载波射频边带),它还有助于强化噪声抑制效果。我认为 HF2LI 将更上一层楼,因为它的带宽范围更大。”

María Isabel:“我们一直在研究脂质膜中热机械干扰的传播。实验中使用的探测器系统由一束反射在目标上的激光束、两段感应反射光束的光电二极管以及放大信号的 HF2LI 组成。在该项目中,HF2LI 锁相放大器有助于避免实验测量过程中的环境噪声和提高信噪比。该设备提供的软件性能优异,属于用户友好型工具。它基本上实现了即插即用,界面操作简便,易于学习和掌握。”

Margus:“在通过测量阻抗变化监测志愿者呼吸和心率的实验中,我已经应用了 Zurich Instruments 的 HF2IS 阻抗谱仪。阻抗发生变化的原因是血管中的血量和肺内空气量发生变化,后面这两种变化是呼吸作用引起的。凭借高精密度特性,HF2IS 为用户获取目标数据提供了方便。

我认同这款仪器的性能。用户可以在用户界面灵活选择变量并设置不同参数,还可以使用该仪器作为参考设备,利用其收集辅助设备的模拟和数字信号。”

公司新闻:瑞士政府 (CTI) 的量子计算仪器项目胜利结项

苏黎世联邦理工学院的实验装置

应用指南:超导量子比特表征

应用指南:超导量子比特的有源复位

历时两年,我们的“超快量子控制和测量仪器”项目胜利完工。以苏黎世联邦理工学院的 Andreas Wallraff 教授苏黎世应用科学大学工程学院(温特图尔)的 Hans-Joachim Gelke 教授为核心的团队精诚协作,共同完成了这一项目。

该项目的主要成果之一是 Zurich Instruments UHF-AWG。这款仪器可以控制并测量基于不同技术的(如超导电路、半导体量子点及离子等)量子比特。UHF-AWG 集成了先前多种不同设备组合才能提供的功能,显著降低了量子计算实验装置的复杂性,同时提升了测量和控制性能。

此外, 该仪器为解决最迫切的问题之一 - 将系统扩展至诸多量子比特 - 提供了有力的支持。随着多设备同步技术的开发(请参见上一篇文章))。多个控制和测量仪器可以连接在一起,并通过单一用户界面进行控制。

最重要的是,这个项目真正意义上对仪器功能进行了实际验证。部分验证结果在以下两份应用指南中有所记录:

超导量子比特表征 - 在进行实际计算前,为每项量子实验所需的部分基本测量和控制模式提供详细信息。

超导量子比特的有源复位 - 针对量子比特初始化,展示快速反馈功能以及在单一仪器中结合测量与信号生成的优势。

Zurich Instruments 感谢所有项目合作伙伴、团队成员和大力支持该项目的瑞士赞助机构。我们享受这次成功合作的美妙体验,非常欣赏大家在挑战量子计算的科学和工程极限时所展现的激情与热忱。

展望未来,我们因参与由美国 IARPA 资助的项目倍感荣幸,我们将为取得第一座里程碑而不懈努力。我们与代尔夫特理工大学的 Leo DiCarlo 实验室、荷兰应用科学研究组织 TNO 以及 Andreas Wallraff 共建团队,携手突破量子控制的极限。我们的目标是控制 17 及之后 49 个量子比特。未来您将看到一则新闻,讲述我们为实现这一目标而开发的新硬件。敬请期待。

客户访谈:Philip Moll

Philip Moll 就职于德国德累斯顿研究固体化学物理学的普朗克研究所,领导微结构量子物质 (MPRG) 物理团队

您好,Philip。请您介绍一下您团队目前从事的研究。

我与我的团队研究电子特性不同寻常的中尺度材料。通过从新发现的材料中构建电路,我们可以在发现材料后测试其基本的物理性质和测试其在芯片环境中的性能

在研究固体化学物理学的普朗克研究所,我的团队充分运用化学和固态物理领域丰富的跨学科专业知识,推动这项研究顺利进行。我们主要研究非传统高温超导体、强相关金属以及拓扑半金属等材料。我们使用强磁场研究材料,主要是为了费米量子振荡和测试超导器件的临界场强。

您在德累斯顿研究所使用 HF2LI 和 MFLI 锁相放大器,部分仪器配有选件。它们如何与您的实验装置相匹配?

典型测量涉及在氦低温箱和强磁场中进行电阻测量。目前,最强力的磁铁能够提供 16 T 的力,但我们正在为提供 20 T 力的磁铁建立一种新装置,目的是研究量子极限中的狄拉克和外尔半金属。对于上述测量,MFLI 是主力锁相放大器。每天,我们通过这款仪器对小信号进行高精度低噪声测量。

典型设备具有多个电气端子,在向样品施加偏置电流的过程中,对这些端子进行同步测量。当我们聚焦高导电性能极强的材料时,主要关注 nV 级信号。我们使用共同触发的多部 MFLI 装置同时测量不同端子。在这些项目中,我们主要关注直流响应并使用低频(小于 200 Hz)。HF2LI 用于在更高频率下进行谐振实验。

那么,我们的“锁相放大器”具备哪些优势?

我们青睐 HF2LI 主要是因为其锁相回路稳定,这是我在加州大学伯克利分校时的发现。我们使用该仪器跟踪谐振电路的快速变化,仪器中基于 FPGA 的 PLL 选件可以方便快捷地完成这项任务。最终目标是跟踪脉冲磁场中谐振电路的频率变化。这些强大的磁铁可以在数毫秒达到100 T 。利用 FPGA 的快速逻辑响应,我们计划跟踪脉冲持续时间内的频率变化。HF2LI 在高频应用中的性能优异,但我们的工作主要是在低频条件下精确测量弱信号。MFLI 的发展令我欣慰,它将相同的电路设计扩展至低频条件下的微小信号。当首批仪器刚刚上市,我便发出了订单。这款仪器的低噪声输入端和软件灵活性令我耳目一新。作为经常使用其他低位数 ADC 锁相仪器用户,我从未在使用这款时观察到数字噪声,这一点我非常欣赏。

但实话实说,我最欣赏的一点是这些锁相放大器未采用任何前面板显示屏。起初,我对所有软件解决方案持怀疑态度,但现在所有疑虑已经烟消云散。对锁相放大器来说,最危险的它是个输入无用输出无用的盒子。没有结合示波器的锁相必定造成严重问题, 因为你需要检查时域信息来判断信号是否真正可以有效解调。但是,天色已晚,你要连夜做实验, 你真想去把示波器搬过来?因此,许多学生在实验室的实际操作中通常跳过这一步。如果使用 MFLI,这种情况便可以避免,因为你只需要打开浏览器进行设置,就可以通过数字示波器立刻看到输入信号。这样的设计显著降低了测量错误,因为样品的问题, 比如接触点非线性或者接地漏电可以被及时发现。

触点非线性或接地泄漏等样本问题可以立即查明,人工测量的工作量显著下降。

未来几年,您的研究领域将发生怎样的变化,那些新的进展我们需要关注?

借助为硅技术开发的更多微型和纳米技术工具,我希望深入研究新材料在设备中的集成。对于电子关联性极强的非传统金属,仍有很多未知需要探索。大型干稀释制冷机的开发正在改变这种模式,即要求亚开尔文温度的材料只是学术层面的研究,永远无法付诸商业用途。量子信息技术的问世极大推动了这项技术的发展。在未来数十年中,稀释制冷机可能成为 Google 和其他公司计算机集群的标准工具。

虽然这些应用目前大多采用传统超导体材料,但毫不影响我们构思基于超导体等非传统材料的新应用, 比如重费米子超导体。使用此类材料制造实际设备并测试其性能可能产生一些新奇的技术。应用量子材料的一大普遍发展趋势是设备愈发复杂。涉及到电子实验时,接触端子的数量有所增加。市场中存在多种吸引用户的解决方案,支持同时测量多条通道。我希望 MFLI 未来能够推出多通道型号。

您在苏黎世开启研究生涯,然后移居美国,随后重返欧洲。您认为瑞士、加利福尼亚和德国的科学环境存在哪些差异?对于人生规划相似的人士,您有哪些建议?

随着全球科学界不断加强沟通协作,全世界的关注点十分相似。然而,研究的方法和文化仍然非常多元化。我在所有工作单位都度过了愉快的时光。我始终博采众长,积极学习不同地方的优势。在苏黎世联邦理工学院,我学习了很多关于如何精心设计研究,如何与近在咫尺的顶尖专家建立合作项目。这所学院研究设施完备。我能够很方便地在电子显微镜中心 SCOPE-M 使用精心维护的微观结构设备从事特殊研究。我认为,投资一流基础设施、吸引优秀科研人员的战略是瑞士成为科学中心的核心优势之一。

赴伯克利分校任职是很有意思的转变。我确切地发现,一直以来关于美国科研方法充满活力的说法是非常正确的。这座校园朝气蓬勃,充满活力。教师、研究人员与学生参加丰富的活动并且频繁互动。我在这停留的时间较短,将大胆的设想付诸实践,从未惧怕失败是我学到并带到我的团队的精神之一

加入普朗克研究所是另一次 180°的转变。这是我首次作为独立研究员工作。当然,我必须学会领导一支团队,还要懂得“置身事外”,让他人从事我喜欢的工作,例如操控实验装置。幸运的是,我成功组建了一支优秀的博士后和学生团队。研究所里有很好的同事们,这里是专注于科研的理想场所。

最后,在实验室外,您如何度过业余时间?

哈哈,这是一道好问题。在迈入大学校门前,我总是充满好奇,希望探索激动人心的新事物。虽然可能带来麻烦,但我非常喜欢在实验室研究各种创意。在业余时间,我喜欢尝试更加大胆的设想。尽管多数设想并未成真,我依然无法停止尝试新事物的脚步。有时,一些设想果真变为现实。我的大部分业余时光都留在了实验室,我认识研究所的所有夜班警卫。离开实验室,结束工作后,我喜欢与我的妻子和朋友共度时光。我平日喜欢烹饪,夏天喜欢泛舟旅行和潜水,冬天喜欢滑雪。

近期使用 Zurich Instruments 锁相放大器的出版物

应用知识:时间分辨 SPM

该应用将两种强大的研究工具相结合,之前仅可在独立实验中使用。这件“利器”有助于进入激动人心的新领域: 

虽然扫描探针显微技术 (SPM) 可轻松获得亚纳米级空间分辨率,但通过测量时间分辨分辨率特性了解纳米尺度的动力学特性仍然难以实现。(Appl. Phys. Lett.110,053111(2017 年))。然而,当泵浦的方法与用来检测的探针结合时,几乎可以使用所有激励信号(如电气、热、磁或光学信号)。特别是潜力巨大的飞秒激光器,可以将 SPM 时间分辨率推向新的高度。

随着信号生成和分析装置愈发复杂,使用合适的测试和测量设备则更加重要。我们认为 Zurich Instruments UHFLI,这款 600 MHz 锁相放大器拥有所需的附加功能,能够成为这一崭新应用领域的理想工具。查看新的时间分辨 SPM 应用页面,其中展示了我们为两种重要测量方案绘制的示意图。您可以直接联系我们,我们共同讨论您的需求。

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