中国第一台超高速扫描隧道显微镜在磨刀八年后问世。

最近，北京大学物理学院量子材料科学中心的蒋英教授的团队和他们的合作者在中国开发了第一台超快扫描隧道显微镜(STM)，它实现了飞秒时间分辨率和原子空间分辨率，并且捕获了金属氧化物表面单个极化子的非平衡动力学。这项工作于5月19日发表在顶级物理杂志《物理评论快报》上。

在此之前，蒋英的团队及其合作者也取得了一系列的成就:通过实验技术和理论方法的双重突破，他们第一个实现了世界上对核量子态的精确描述，揭示了水的核量子效应。这项成就发表在《科学》杂志上。通过开发新的扫描探针技术，世界上首次获得了单个钠水合物的原子级分辨率图像，结果发表在《自然》杂志上。实验首次证明冰可以在二维极限下稳定存在。拍摄并揭示了二维冰独特的形成过程和生长机制。研究结果发表在《自然》杂志上。

今天，让我们来了解一下北京大学科学家的量子科学世界。

八年磨一把剑

扫描隧道显微镜是一种微观检测工具，其空间分辨率可以达到原子级。

然而，由于电流放大器带宽的限制，其时间分辨率只能达到微秒级(10-6秒)，而许多微动态过程往往发生在皮秒级(10-12秒)和飞秒级(10-15秒)。

为了提高扫描隧道显微镜的时间分辨率，一种更为可行的方法是将超快激光的泵浦探测技术与扫描隧道显微镜相结合，利用超快光和电子隧穿过程的耦合实现“飞秒-埃”尺度极限探测。

虽然超快激光技术和短时扫描隧道显微镜耦合的概念是在20世纪90年代提出的，但相关研究受到一系列技术难点的限制，进展非常缓慢。

近年来，超快扫描隧道显微镜的原始概念和核心技术开始创新。北京大学物理学院的蒋英研究团队也在2012年加入了激烈的国际竞争。

该团队独立开发并掌握了许多关键技术。经过图纸设计、加工、装配对接、性能测试等环节，扫描探针、真空系统、控制电路、光耦合系统等关键部件全部由自己制造。经过两个博士生的接力和反复的试错，新一代的超快扫描隧道显微镜系统(图1)最终被开发出来，使得原子尺度的超快动态检测成为可能。

图1 a:与飞秒激光耦合的扫描隧道显微镜系统；b:针尖激光诱导光电流与激光脉冲延迟时间的关系；c:激光诱导光电流的自相关函数，表明时间分辨率优于180fs；光电流与干涉区外延迟时间的关系对应于声子抑制的光电流发射过程，时间常数约为145ps。

通过专门设计的光学扫描探针和激光调制技术(已申请专利保护)，研究人员最大限度地抑制了激光热效应和温度漂移的影响，增强了激光诱导隧道电流信号，大大提高了信噪比。

该系统可在超高真空液氦温度环境下工作，最大时间分辨率为100飞秒，最大延时为微秒，相关性能参数达到国际领先水平。这也是中国第一个能够实现飞秒时间分辨的短时扫描测量系统。

使用这种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进行了深入研究(图2)。

图2a:二氧化钛(110)表面氧缺陷附近的极化子分布；b:扫描激光辐照前后极化子位置的隧道谱，表明在光照下极化子被激发成导带自由电子(图2c)；d:两个氧缺陷的扫描隧道显微镜形貌，两个极化子位置分别标记在位置1和2；e:位置1的自由电子被氧缺陷捕获，形成极化子的时间分辨曲线；f:不同位置氧缺陷的导带电子寿命(黑色)和极化子俘获时间(红色)。

极化子是由材料中的单个电子和周围晶格相互作用形成的准粒子。金属氧化物材料的许多特殊物理性质，如光催化、高温超导、热电和巨磁电阻，都与极化子密切相关。

通过测量单个极化子的时间分辨动力学，研究人员发现当极化子被两个氧缺陷束缚时，它的俘获时间比只有一个氧缺陷时要短得多。然而，自由电子寿命对氧缺陷的原子尺度聚集不敏感，而是强烈地依赖于纳米尺度上的平均缺陷密度。

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显微图像，也为纳米光催化材料的缺陷工程提供了新思路。

本工作所发展的实验技术可进一步应用于各种功能材料的微观电荷动力学研究，如光电转换、激子动力学、电荷输运、电声耦合等。

中国科学院物理研究所的郭/孟祥志(时间分辨扫描探针实验)和傅(第一性原理计算)是本文的合著者，而、孟胜和王恩格是本文的合著者。

来源:北京大学微信公众号

责任编辑:吴