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我国首台超快扫描隧道显微镜问世

2020-06-04 15:27

近日,北京大学教授江颖与中国科学院物理研究所研究员孟胜、翁羽翔以及北京大学教授、中国科学院院士王恩哥等合作,研制出国内首台超快扫描隧道显微镜,实现飞秒级时间分辨和原子级空间分辨,并捕捉到金属氧化物表面单个极化子的非平衡动力学行为。该工作于5月19日发表在物理领域顶级期刊《物理评论快报》上。

扫描隧道显微镜(简称STM)是一种空间分辨率可以达到原子量级的微观探测工具。然而,受电流放大器带宽的局限,其时间分辨一般只能达到微秒量级,而很多微观动力学过程往往发生在皮秒和飞秒量级。

为了提高STM的时间分辨率,其中一种比较可行的办法是将超快激光的泵浦-探测技术和STM相结合,利用超快光与电子隧穿过程的耦合来实现“飞秒-埃”尺度的极限探测。

尽管超快激光技术和STM相耦合的概念在上世纪90年代就被提出,但是相关研究受限于一系列技术难点,进展非常缓慢。近年来,超快STM的原始概念和核心技术开始出现革新,北京大学物理学院江颖课题组也于2012年加入了激烈的国际竞争。

团队独立研发并掌握了若干关键技术,历经图纸设计、机械加工、组装对接、性能测试等环节,扫描探头、真空系统、控制电路、光耦合系统等关键部件全部自行制作,在两届博士生的接力和反复试错后最终研制出了全新一代超快STM系统,使得原子尺度上的超快动力学探测成为可能。

研究人员通过特殊设计的光学扫描探头和激光调制技术,最大程度抑制了激光热效应和温度漂移的影响,并增强了激光诱导的隧道电流信号,大大提高了信噪比。

该系统可工作在超高真空液氦温度环境,最高时间分辨率可达百飞秒,最长时间延迟可达微秒量级,相关性能参数达到国际领先。这也是国内首台可实现飞秒时间分辨的STM系统。利用这台设备,并结合第一性原理计算,研究人员对单个极化子的非平衡动力学过程进行了深入研究。

通过测量时间分辨的单个极化子动力学,研究人员发现,当极化子被两个氧缺陷束缚时,其被捕获的时间比只有一个氧缺陷时明显要短。然而,自由电子寿命对氧缺陷的原子尺度聚集并不敏感,但强烈依赖于纳米尺度的平均缺陷密度。

该工作首次揭示了原子尺度环境对极化子非平衡动力学过程的重要影响,为光催化反应中的高活性位点提供了新的微观图像,同时也为纳米光催化材料的缺陷工程提供了全新的思路。研究中所发展的实验技术则可以进一步应用于各种功能材料的微观电荷动力学研究,例如:光-电转换、激子动力学、电荷传输、电-声耦合等。

该研究成果于5月19日发表在物理领域顶级期刊《物理评论快报》,并被选为编辑推荐文章。北大量子材料科学中心郭钞宇、孟祥志、王钦和中科院物理研究所付会霞是文章的共同第一作者,江颖、孟胜和王恩哥为文章的共同通讯作者。

此次超快扫描隧道显微镜的成功研制,是在时间分辨与空间分辨上双双取得突破的重大研究成果,而在此之前,北京大学物理学院江颖教授与王恩哥院士等科研人员已经走了很长一段路:在2016年,团队就研发出“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术来解决氢核的量子化研究的实验难题;2018年,课题组开发了基于高阶静电力的新型扫描探针技术用于水合离子的原子结构研究;今年年初,团队又利用非侵扰式原子力显微镜技术,实现了二维冰结构和生长过程的亚分子级分辨成像。江颖团队及合作者的成果已多次走上《科学》《自然》等重磅期刊。

来源:北京日报