八年磨一剑，国内首台超快扫描隧道显微镜问世

作者：张馨予

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心江颖教授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。
今天，就让我们一起了解北大科学家的量子科学世界吧！

八年磨一剑
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（10-6 s），而很多微观动力学过程往往发生在皮秒（10-12 s）和飞秒（10-15 s）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。

图1 a：飞秒激光耦合的扫描隧道显微镜系统；b：激光诱导的针尖光电流与激光脉冲延迟时间的依赖关系；c：激光诱导光电流的自相关函数，表明时间分辨率优于180fs；d：干涉区域外光电流与延迟时间的关系，对应于声子抑制的光电流发射过程，时间常数为~145ps。
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。
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（图2）。

图2 a：TiO2(110)表面氧缺陷附近的极化子分布；b：极化子位点处在激光照射前后的扫描隧道谱，表明光照下极化子被激发为导带自由电子（图2c）；d：两个氧缺陷的STM形貌图，位点1和2分别标注了两个极化子位点；e：位点1处自由电子被氧缺陷捕获形成极化子的时间分辨曲线；f：不同位点处导带电子寿命（黑色）和极化子被氧缺陷捕获的时间（红色）。
极化子是材料中单个电子与周围晶格相互作用形成的一种准粒子。金属氧化物材料中所表现出的许多奇特的物性，例如：光催化、高温超导、热电以及巨磁阻等现象，都与极化子具有密切的关系。
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。
该工作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。
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。
善事先利器
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。这次，江颖团队在高分辨空间成像的基础上，进一步实现超高时间分辨，最终研制出“超快STM”这一强大的实验工具，不仅能看到单个原子和电子，还能实时跟踪原子和电子的超快运动过程。
北京大学物理学院江颖团队多年来坚持自行研制尖端科研仪器，不断发展新的实验手段，探索着原子尺度上的微观世界，不断取得着新的成果：
2017年2月20日，科技部基础研究司与科技部高技术研究发展中心联合召开“2016年度中国科学十大进展解读会”，发布了2016年度中国科学十大进展，北京大学物理学院量子材料科学中心王恩哥院士和江颖教授领导的课题组“揭示水的核量子效应”这一重大研究成果名列其中。