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Nanonis Tramea

可定制化量子输运测量系统
量子输运测量能够观察电子在低温或低维材料中的行为。

量子输运测量

量子点中的自旋量子比特研究是量子计算研究的热门方向之一。具有大量输入和输出端口的快速测量系统对于提升多量子点设备的工作效率至关重要。 ​

自旋量子比特研究

拓扑绝缘体的能带具有独特的拓扑结构,可以形成有趣的导电表面态。

拓扑绝缘体研究


特征

  • 比传统测量方案快1000倍
  • 完全集成化数字系统:避免复杂的实验布线
  • 综合的安全措施:避免损坏样品
  • 低噪声直流源
  • 高分辨率数模转换:真正的20位模拟输出,使用22位hrDAC
  • 高分辨率AD转换:高达22位
  • 温度稳定,漂移小
  • 锁相放大器,动态储备超过100 dB
  • 多任务用户界面
  • 用软件替代硬件,以获得更多的性能、灵活性和可升级性
  • 包含示波器、频谱分析器、数据记录、图表和图形功能
  • 通过各种编程选项轻松实现定制
  • Tramea具有可扩展性和可扩充性,占地面积小,是传统测量机架的完全替代方案

配件选项

Nanonis Tramea基础配置提供了进行高速直流输运测量所需的必要元素。它提供了8个精确的高速直流源,8个精确的模拟输入,搭配一整套用于数据生成和采集的全功能软件解决方案和一个强大的通用API。

 

  • 8个模拟输入
  • 8个模拟输出
  • FPGA + 实时信号处理
  • 示波器
  • 频谱分析器
  • 强大的软件测量组件
  • 高分辨率数据采集
  • 一维、三维和N维扫描器
  • 直接控制多达4个外部设备​​​
  • 控制MercuryiPS和MercuryiTC
  • 独立于语言的编程接口

作为标准配置,Nanonis Tramea提供8路输入和8路输出。通过在基本配置上增加额外的Tramea信号转换器(TSC)或Tramea信号输出(TSO)单元,可以将Tramea系统升级成最多具有24路输入和48路输出。 

  • 16个BNC接头(TSC=8路输入和8路输出,TSO=16路输出)
  • 输入电压范围 = ± 10 V
  • 输出电压范围 = ± 10 V 到1 kΩ 或更高
  • 模拟带宽 = DC – 100 kHz (-3 dB) 输入,DC – 40 kHz (-3 dB)输出
  • 输入有效分辨率 = 60 kS/s时20位,1 kS/s时22位​
  • 输出有效分辨率 = 22位hrDAC技术​

The table shows the numbers of input and outputs with different possible combinations of TSC and TSO.

By expanding the number of inputs and outputs with a combination of TSC and TSO units, there is no compromise on signal quality. The extra channels are integrated into the software, so there is no change in the workflow of the system and additional signals are seamlessly integrated into the Tramea software. 

TSC – Tramea Signal Conversion

For samples with large numbers of contacts and when external instruments deliver many signals which need to be digitised, 8 inputs and 8 outputs may not be enough.

An additional TSC gives you an extra 8 outputs and 8 inputs in addition to the 8 outputs and 8 inputs of the base configuration. Up to 2 extra TSCs on top of the base configuration can be used in combination with the base configuration to give as many as 24 inputs.

Options: Base configuration (1 TSC in total), TSC-1 (2 TSCs in total), TSC-2 (3 TSCs in total).

TSO – Tramea Signal Output

For devices that require a large number of gate voltages, the number of outputs required is usually much larger than the amount of signals to be digitised. 8 input channels of the Tramea base configuration may offer sufficient digitizing channels for most applications, but 8 output channels might not cover all the requirements for sample driving voltages.

An additional TSO immediately gives an extra 16 output channels to the 8 inputs and 8 outputs of the base configuration. Up to 2 TSOs can be added to the base configuration to give a maximum number of 40 outputs. When combining this with the TSC modules, a maximum number of 48 high precision, low-noise outputs can be provided.

Options: TSO-1 (1 TSO in total), TSO-2 (2 TSOs in total).

MCVA5 – Multichannel voltage preamplifier

The Nanonis MCVA5 differential multichannel preamplifier offers 4 independent differential channels. It provides low-noise amplification, very high input impedance, high common-mode rejection, gain up to 1000, and differential inputs.

The 4 differential inputs offer an input impedance greater than 10 TΩ to GND and very low input bias currents of less than 2 pA (typ.). They can be operated in either A-B (differential) or A (single-ended) mode or left floating, and they can be DC- or AC-coupled. The amplification circuit has user-selectable gains of 1, 10, 100 and 1000 and a bandwidth in excess of 500 kHz. Despite the very high input impedance spectral noise is as low as 4 nV/√Hz (SE, gain 100/1000)​.

 

量子点模拟器可以模拟设备与一个真正的量子点相连接,来让用户探索完整的Nanonis Tramea测量系统。学习软件的操作不具有任何风险。它模拟了一个典型的单顶栅定义的量子点,并包括软件的全部功能。可以实现的测量包括单门电压扫描、左右门电压扫描以及稳定性图。还可以用锁相放大器模拟微分电导测量。


软件

 

Tramea具有良好的可扩展性,可以使用现有的附加软件模块或用户编程功能进行定制实验。

 

高性能的数字锁相放大器可以让用户调制和解调任何可用的输入和输出信号,频率高达40 kHz。锁相模块多达8个,可以相互独立使用,也可以同步进行相位相干的操作。

多达8个锁相放大器 - 多达8个双相锁相模块,在使用高分辨率20位输出的同时,最多可调制8个任何输出或输入信号,最高可达40kHz。

锁相放大器的解调器 - 双锁相模块LD5-MF的额外解调器,适用于单个锁相和两个锁相模块。这使得2个锁相可以搭配8个解调器用于不同频率操作。

 

8个双相锁相模块,有8个独立的频率发生器和8个独立的双相解调器

PI控制器是为测量系统增加反馈回路的一种有效方法。它为Tramea软件增加了一个灵活的控制回路功能。

  • 在任何输入或内部信号上进行控制
  • 反馈信号可以应用在任何输出或内部信号上
  • 双状态控制的If-then模式
  • 用于温度测量的直流或交流(锁相)模式,等等
  • 6 kHz控制带宽
  • 反馈信号的电压限制
  • 最多可以有8个模块

PI控制器的面板

当需要周期应用相同的波形或脉冲序列时,函数发生器往往比使用脚本更简单、更高效。可以上传任何自定义的波形,并通过使用高精度和低噪音的20位输出,产生频率在500 mHz到15 kHz之间的周期性图形。对于更高的回转率,函数发生器可以处理信号转换器TSC的单一快速模拟输出,提供1MHz的模拟带宽。

  • 基于自定义查找表的任意的、用户定义的波形
  • 适用于脉冲门的测量,基于模式的测量等
  • 波形持续时间从2秒(0.5赫兹)到67微秒(15千赫)
  • 在不同的输出上有2个同步的波形
  • 20位波形分辨率,16位振幅和频率缩放
  • 1 MS/s 采样率
  • TSC快速输出上有500 kHz模拟带宽,普通输出上有40 kHz模拟带宽

函数发生器模块面板

通过LabVIEW编程界面,用户可以设计自己的实验,并充分利用LabVIEW的脚本定制程序。

LabVIEW编程接口提供了更多的功能和更简单的编程方法,而TCP接口是基本配置的一部分,作为标准API交付。

提供现成的样例,可以直接使用或作为定制程序的起点,用来定制测试方案或者集成外部仪器。

提供Labview VI

脚本模块提供了比标准配置的Nanonis编程接口快100倍的执行速度。通过时间确定的方法和小于50 µs的指令时间间隔,脚本可以显著提高执行速度,减少测量时间。 

  • 在实时系统上执行的命令高达20,000条/秒
  • 脚本的实时执行,实现高速执行
  • 用于自动测量程序的For-loops
  • 用于条件执行和实时反馈的If-指令
  • 与编程接口集成

脚本程序示例

高分辨率示波器和频谱分析仪在频域中提供精确的分析。对于发生在ms和μs时间范围内的过程,标准示波器无法兼顾动态范围、分辨率和噪声性能。通过信号转化器TSC的精确和低噪声的18位输入以及Nanonis软件的紧密结合,高分辨率示波器和频谱分析器模块克服了标准示波器的局限性。

输运测量通常需要采集与时间有关的信号,典型的时间尺度从µs到几分钟不等。高分辨率示波器可以获得高达1 MSPS的数据采集,但也可以搭配可变的采集时间和高达100万点的跟踪长度使用。它还提供低至mHz范围的高频率分辨率

  • 每条轨迹高达100万点(用户可选择),1 MS/s采样率,100 kHz模拟带宽。
  • 测量时间从32微秒到17分钟,可变过采样高达1024✕
  • 无需调整输入范围。1 MS/s时的18位分辨率(1 kS/s时的22位)和低噪声的输入端口​
  • 预触发机制可有效消除数据损失问题。模拟信号和数字线路均可触发
  • 500'000点FFT用于精确的频率测定和噪声分析​

高分辨率示波器


Resources

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