北京大学研制中国首台超快扫描隧道显微镜

2020-06-05 16:10:54来源:海外网
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近日,北京大学物理学院量子材料科学中心江颖团队及其合作者研制出国内首台超快扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM),实现了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。

此前,江颖团队及合作者还取得了一系列成果:通过实验技术和理论方法的双重突破,在国际上率先实现了对原子核量子态的精确描述,揭示了水的核量子效应,该成果发表于《科学》期刊;通过开发新型扫描探针技术,在国际上首次获得了单个钠离子水合物的原子级分辨图像,该成果发表于《自然》期刊;首次在实验上证实了冰在二维极限下可以稳定存在,拍摄并揭示了二维冰的独特形成过程和生长机制,该成果发表于《自然》期刊。

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,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(10-6s),而很多微观动力学过程往往发生在皮秒(10-12s)和飞秒(10-15s)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(pump-probe)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(图1),使得原子尺度上的超快动力学探测成为可能。

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飞秒激光耦合的扫描隧道显微镜系统

研究人员通过特殊设计的光学扫描探头和激光调制技术(已申请专利保护),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。

北京大学量子材料科学中心郭钞宇、孟祥志、王钦(时间分辨扫描探针实验)和中科院物理研究所付会霞(第一性原理计算)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。

这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院、北京市科委的经费支持,以“Probing non-equilibrium dynamics of photoexcited polarons on a metal oxide surface with atomic precision”为题,于5月19日发表在物理领域顶级期刊《物理评论快报》【Phys. Rev.Lett.124, 206801(2020)】上,并被选为编辑推荐文章。(贾孟杰 北京大学供图)

责编:张阳

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